JP6506842B2 - Correction of beam hardening artefacts of samples imaged in a container in microtomography - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロトモグラフィにおけるビーム・ハードニング効果を補正する方法に関し、より詳細には、自動化された補正を可能にする参照なし多材料ビーム・ハードニング補正に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、2014年8月16日に出願された「Tomographic Reconstruction for Material Characterization」という名称の米国特許仮出願第62/038,263号の優先権を主張するものである。
The present invention relates to a method of correcting beam hardening effects in microtomography, and more particularly to a non-referenced multi-material beam hardening correction that enables automated correction.
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 62 / 038,263, entitled “Tomographic Reconstruction for Material Characterization,” filed Aug. 16, 2014.
断層撮影法またはコンピュータ連動断層撮影法(CT)は、関心の物体の2D投影を結合することによって物体の3次元モデルを形成するプロセスであり、この関心の物体の2D投影は通常、任意の種類の透過性粒子または透過性の波を使用することによって得られる。断層撮影法は、急速に進歩している画像化技術であり、限定はされないが、医学、歯学、生物学、環境、毒物学、鉱物学および電子工学などのさまざまな分野において幅広い用途を有する。断層撮影プロセスは、X線システム、透過電子顕微鏡(TEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)および/または原子プローブ顕微鏡(APM)などのさまざまなツールを使用して、例えば試料の原子構造および化学分析などのさまざまなタイプの情報を得る。通常は、試料を横切って異なる角度で取得された一連の2D画像を逆投影することによって、または、APMの場合には位置検知型検出器に当たった電界蒸発した原子の順番から体積を再構成することによって、3D断層撮影データセットを得る。 Tomography or computed tomography (CT) is the process of forming a three-dimensional model of an object by combining the 2D projections of the object of interest, the 2D projection of the object of interest usually being of any type Obtained by using transparent particles or transparent waves. Tomography is a rapidly advancing imaging technology and has a wide range of applications in various fields such as, but not limited to, medicine, dentistry, biology, environment, toxicology, mineralogy and electronics. Tomographic processes use various tools such as X-ray systems, transmission electron microscopy (TEM), scanning transmission electron microscopy (STEM) and / or atomic probe microscopy (APM), for example atomic structure and chemical analysis of samples Get various types of information such as Usually, reconstruct the volume by backprojecting a series of 2D images acquired at different angles across the sample, or in the case of APM, from the sequence of field evaporated atoms that hit the position sensitive detector To obtain a 3D tomographic data set.
過去30年の間に、コンピュータ連動断層撮影法(CT)は、化石、貯留岩および土壌などの地質試料の研究に、非破壊画像技法として適用された。可能な用途の数は分解能の増大に伴って増加しており、現在、コンピュータ連動マイクロトモグラフィ(μCT)画像化技法は、1ミクロン未満の分解能に到達することができる。適用が増えている1つの技法が多状態画像化である。多状態画像化では、異なる圧力、異なる飽和状態または異なる風化作用など、異なる条件下で同じ試料が画像化される。このような分析を実行するときには、圧力を維持するためまたは飽和流体を保持するために、円筒容器が必要となる。本発明の発明者によってオーストラリア国立大学(ANU)のμCT施設で実行されたものなどの高倍率高コーン角画像化では、X線源のごく近くに試料が置かれる。この場合には、源からの放射熱を放散させ、同時に試料の移動を防ぐために容器が使用される。このように、μCT画像化では容器を使用することが増えている。このような使用の増加に伴って、容器は、特に「ビーム・ハードニング」効果と呼ばれるものの補正に関して、新たな課題および機会を提起している。 During the past 30 years, computer-coupled tomography (CT) has been applied as a nondestructive imaging technique for the study of geological samples such as fossils, reservoirs and soils. The number of possible applications is increasing with increasing resolution, and computer-assisted microtomography (μCT) imaging techniques can now reach resolutions of less than 1 micron. One technique that is increasingly being applied is multi-state imaging. In multi-state imaging, the same sample is imaged under different conditions, such as different pressures, different saturation states or different weathering effects. When performing such an analysis, a cylindrical vessel is required to maintain pressure or to hold saturated fluid. In high magnification, high cone angle imaging, such as that performed by the inventor of the present invention at the μCT facility of the Australian National University (ANU), the sample is placed very close to the x-ray source. In this case, a container is used to dissipate the radiant heat from the source while at the same time preventing movement of the sample. Thus, there is an increasing use of containers in μCT imaging. With this increase in use, containers present new challenges and opportunities, particularly with regard to the correction of what are called "beam hardening" effects.
これらの有害な効果は、特定の手順に対して使用される特定のCTプロセスでは適正に考慮することができない被走査材料と走査ビームの相互作用に起因する。断層撮影再構成の前に実行される標準線形化前処理ステップは、ビーム強度と減衰経路長との間の指数関数的関係を仮定するランベルト・ベールの法則に基づく。 These detrimental effects are due to the interaction of the scanned material with the scanned material that can not be properly considered by the particular CT process used for a particular procedure. The standard linearization pre-processing step performed prior to tomographic reconstruction is based on Lambert-Beer's law, which assumes an exponential relationship between beam intensity and attenuation path length.
一般に、ビーム・スペクトルおよび検出器応答が厳密に分かっているときでも、多色減衰データから断層撮影再構成を実行するための情報は不十分である。したがって、ビーム・ハードニングは、試料についての仮定を設けない限り計算機的に解くことができないように見える問題を提示する。(骨および組織の画像化など)特定のケースをターゲットとする多数の方法が提案されているが、μCT画像化に対して広範囲に採用された方法はない。したがって、X線画像化の他のアーチファクトは近年、劇的に低減されているため、ビーム・ハードニングは、現在、多くの状況において、画像化アーチファクトの主な原因であり、X線断層撮影の主たる課題のうちの1つであり続けている。本明細書には、μCT画像化に対して広範に関心を集めている状況で機能する、自動化されたビーム・ハードニング補正法が提供されている。 Generally, even when the beam spectrum and detector response are known exactly, there is insufficient information to perform tomographic reconstruction from the polychromatic attenuation data. Thus, beam hardening presents the problem of appearing to be unsolvable computationally without making assumptions about the sample. Although a number of methods have been proposed to target specific cases (such as bone and tissue imaging), there is no widely adopted method for μCT imaging. Thus, beam hardening is currently the main cause of imaging artefacts in many situations, as other artefacts of X-ray imaging have been dramatically reduced in recent years. It continues to be one of the main challenges. Provided herein is an automated beam hardening correction method that works in situations of widespread interest in μCT imaging.
μCT画像のビーム・ハードニング・アーチファクトを補正するさまざまな方法が提案されている。このアーチファクトを低減させる一般的な技法は、ビームをフィルタリングする技法であり、この技法では、試料の前または後に材料シートを置いて、試料に急速に吸収されてしまうであろう低エネルギーのX線を除去する。この方法はいくつかの短所を有する。第1に、この方法は、ビーム・ハードニング・アーチファクトの重大さは低下させるが、ビーム・ハードニングを排除することはない。さらに、この方法は、検出器に到達する全体のフラックスの低減を引き起こし、信号対雑音比を低下させ、同じ結果を得るのに必要な時間を増大させる。容器が存在するとき、特に、高圧画像化に対して必要とされるようにその容器の減衰性が高い場合には、フラックスがさらに低減され、それによりコントラストの追加の損失が生じる。2つの異なるエネルギーで同じ試料を画像化するデュアル・エネルギー手法を採用することもでき、基底関数への線形分解の仮定の下で、結果を結合することができる。しかしながら、これには追加のμCT走査が必要であり、これにかかる時間および費用が、特にデュアル状態画像化のために2回の走査が既に必要である場合に、大きくなることがある。 Various methods have been proposed to correct for beam hardening artifacts in μCT images. A common technique to reduce this artifact is the beam filtering technique, which places the sheet of material in front of or behind the sample and which is low energy x-rays that will be absorbed rapidly by the sample Remove This method has several disadvantages. First, this method reduces the severity of beam hardening artifacts but does not eliminate beam hardening. Furthermore, this method causes a reduction in the overall flux reaching the detector, reduces the signal to noise ratio and increases the time required to obtain the same result. When the container is present, in particular if the attenuation of the container is high as required for high pressure imaging, the flux is further reduced, which results in an additional loss of contrast. The dual energy approach of imaging the same sample at two different energies can also be employed, and the results can be combined under the assumption of linear decomposition to basis functions. However, this requires an additional μCT scan, which can increase the time and expense involved, especially if two scans are already required for dual state imaging.
他の補正技法がデータの取得後に実施される。ビーム・ハードニング曲線線形化は、試料が1種類の材料だけからなると仮定することによって、投影データを補正する。この仮定は、ほぼ均質な試料に対しては合理的な仮定であるが、不均質な材料に対しては使用することができず、容器が存在するときにも使用することができない。適当な一群の補正法がいわゆるポスト再構成法であり、それらの方法は、データの再投影に依存して、多色投影または単色投影を推定する。再投影は、放射線の順投影を使用して、再構成された断層像から、X線スペクトルおよび材料属性についての知識に基づいて模擬投影を生成する。他のアーチファクトを含まない単色データに関して、再投影データとオリジナル・データは同じである。しかしながら、ビーム・ハードニング・アーチファクトを含む再構成は一般に、実験データと完全には一貫せず、そのため、再投影されたデータは、実験に基づく投影とは異なる。ポスト再構成法は、実験データと模擬再投影の間の差を、そのデータに適用することができる補正として使用する。しかしながら、たとえX線スペクトルおよび検出器応答が分かっている場合であっても、材料減衰を完璧に再構成しなければならない。加えて、単純な試料であっても、この方法は円筒形の試料に対してはうまく機能せず、ビーム・ハードニングを起こした投影は、相応のビーム・ハードニング・アーチファクトを含む完全に一貫した断層像に再構成される。ポスト再構成ビーム・ハードニング補正技法の一型が、Krummら(Krumm,M.、Kasperl,S.およびFranz,M.、「Reducing non−linear artifacts of multi−material objects in industrial 3d computed tomography」、NDT &E International 41(4)、242〜251(2008))によって提案されている。この方法を、参照なしポスト再構成補正法またはRPC法と呼ぶ。RPC法は、材料またはX線スペクトルについての知識なしで補正が機能することを可能にするが、試料を均質な領域に分解することができることを要求する。 Other correction techniques are performed after data acquisition. Beam-hardening curve linearization corrects projection data by assuming that the sample consists of only one type of material. This assumption is a reasonable assumption for nearly homogeneous samples, but can not be used for heterogeneous materials and can not be used even when a container is present. A suitable group of correction methods is the so-called post-reconstruction method, which relies on reprojection of the data to estimate polychromatic or monochromatic projections. Reprojection uses forward projection of radiation to generate simulated projections from the reconstructed tomogram based on the knowledge of the x-ray spectrum and material attributes. The reprojection data and the original data are the same for monochromatic data that does not contain other artifacts. However, reconstructions that include beam hardening artifacts are generally not completely consistent with experimental data, so reprojected data is different from experimental projections. Post reconstruction uses the difference between experimental data and simulated reprojection as a correction that can be applied to that data. However, even if the x-ray spectrum and detector response are known, the material attenuation must be completely reconstructed. In addition, even for simple samples, this method does not work well for cylindrical samples, and beam-hardened projections are completely consistent including corresponding beam-hardening artifacts It is reconstructed into a tomogram. One type of post-reconstruction beam hardening correction technique is described by Krumm et al. (Krumm, M., Kasperl, S. and Franz, M., "Reducing non-linear artifacts of multi-material objects in industrial 3d computed tomography", It is proposed by NDT & E International 41 (4), 242-251 (2008)). This method is called a no reference post reconstruction correction method or an RPC method. The RPC method allows the correction to function without knowledge of the material or x-ray spectrum, but requires that the sample can be resolved into homogeneous regions.
本発明の目的は、改良された参照なし多材料ビーム・ハードニング補正法を提供することにある。この方法は、地質学的材料の3次元画像化向けのデータ品質を維持することに重点を置いており、また、自動化を見据えている。この技法は、他の分野にも適用することができる。この補正を積分減衰空間で適用する参照なしポスト再構成(RPC)補正技法が提供される。ビーム・ハードニング補正法に必要なセグメント化プロセスの自動化を可能にする容器のみ前補正技法も提供される。この方法は、プロセスのさまざまな段階で、材料ライブラリを参照する技法を含むさまざまなセグメント化技法を使用することができる。この方法は、オペレータが適切なパラメータを入力することによって断層撮影システムを起動させた後に、断層撮影システムによって、コントローラの制御の下で、自動的に実施されることが好ましい。しかしながら、これは、限定を意図するものではなく、任意の特定のステップは、オペレータの介入を含むことができる。 It is an object of the present invention to provide an improved non-referenced multi-material beam hardening correction method. This method focuses on maintaining data quality for 3D imaging of geological materials, and looks to automation. This technique can be applied to other fields as well. A referenceless post-reconstruction (RPC) correction technique is provided that applies this correction in integral attenuation space. A container only pre-correction technique is also provided that allows for the automation of the segmentation process required for the beam hardening correction method. The method can use various segmentation techniques, including techniques that reference material libraries, at various stages of the process. The method is preferably implemented automatically by the tomography system under control of the controller after the operator has activated the tomography system by entering appropriate parameters. However, this is not intended to be limiting, and any particular steps may include operator intervention.
本発明のいくつかの実施形態は、断層撮影再構成をビーム・ハードニングに関して補正する方法を提供する。この方法は、断層撮影投影データから初期断層像を再構成し、断層像を2つ以上の相にセグメント化する。この2つ以上の相は、集塊相を含むことができる。セグメント化された断層像に基づいて、この方法は、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を、積分減衰空間で算出する。この方法は、次いで、このRPC補正を断層撮影投影データに適用して、ビーム・ハードニング効果に関して補正する。補正された投影データを使用して、この方法は、補正された断層撮影投影データから最終断層像を再構成する。 Some embodiments of the present invention provide a method of correcting tomographic reconstruction for beam hardening. The method reconstructs an initial tomogram from the tomographic projection data and segments the tomogram into two or more phases. The two or more phases can include an agglomerate phase. Based on the segmented tomograms, the method calculates a referenceless post-reconstruction correction (RPC) correction in integrated attenuation space. The method then applies this RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects. Using the corrected projection data, the method reconstructs the final tomogram from the corrected tomographic projection data.
いくつかの実施形態では、RPCを適用することが、セグメント化された断層像のそれぞれの相を再投影して、材料ごとに模擬単色投影を生成することを含み、この模擬単色投影が積分減衰空間で算出される。いくつかの実施形態は、断層像に容器のみ前補正を適用して、試料材料を保持する容器に起因するビーム・ハードニング効果に関して補正し、試料自体に起因するビーム・ハードニング効果に関しては補正しない。この容器のみ前補正は、容器だけを通過する一組の放射線を選択し、選択された一組の放射線に基づいて、容器に関する積分減衰を算出することによって生成される。いくつかの実施形態はさらに、予め定められた容器形状データを受け取り、この予め定められた容器形状データに基づいて容器のみ前補正を生成することができる。前補正のために使用される容器形状データは、断層像をセグメント化することによって得ることもできる。 In some embodiments, applying the RPC includes reprojecting each phase of the segmented tomogram to produce a simulated monochromatic projection for each material, the simulated monochromatic projection having integrated attenuation Calculated in space. Some embodiments apply container-only pre-correction to the tomogram to correct for beam hardening effects due to the container holding the sample material, correction for beam hardening effects due to the sample itself do not do. The container-only precorrection is generated by selecting a set of radiation that passes through the container only and calculating an integral attenuation for the container based on the selected set of radiation. Some embodiments may further receive predetermined container shape data and generate container only pre-correction based on the predetermined container shape data. Container shape data used for pre-correction can also be obtained by segmenting the tomogram.
いくつかの実施形態では、このセグメント化が、半径方向距離およびグレースケール強度を使用して相を区別するk平均クラスタリング技法を実行することを含む。他の実施形態では、このセグメント化が、初期再構成に対する反復セグメント化および再構成プロセスの一部を含み、この反復セグメント化および再構成プロセスが、(a)試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定するステップと、(b)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正するステップと、(c)断層撮影再構成アルゴリズムの1回または数回の追加の反復を実行するステップであり、それぞれの反復が、体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を更新する、ステップと、(d)試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類するステップとを含む。 In some embodiments, this segmentation includes performing a k-means clustering technique to distinguish phases using radial distance and grayscale intensity. In another embodiment, the segmentation comprises part of an iterative segmentation and reconstruction process for initial reconstruction, the iterative segmentation and reconstruction process comprising (a) one of a number of volume elements in a sample Determining one or more estimated material properties using a tomographic reconstruction algorithm, and (b) determining, for each volume element, the most likely material in the material dictionary Modifying the estimated material properties of the block based on the probabilistic classification by referring to the stored material property data, and (c) one or more additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm Performing, each iteration updating one or more estimated material properties of the volume element, and (d) the sample DOO Label the reconstructed volume shows, and classifying the region of material having similar properties.
いくつかの実施形態では、最終断層像を再構成することは、反復プロセスも含むことができ、この反復プロセスは、(a)試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定すること、(b)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正すること、(c)断層撮影再構成アルゴリズムの1回または数回の追加の反復を実行し、それぞれの反復が、体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を更新すること、および(d)試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類することを含む。 In some embodiments, reconstructing the final tomogram can also include an iterative process, which (a) estimates one or more estimated materials of multiple volume elements in the sample. Determining the properties using a tomographic reconstruction algorithm, (b) storing one or more estimated material properties to determine the most likely material in the material dictionary for each volume element Modifying based on the probabilistic classification by referring to the selected material property data, (c) performing one or several additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm, each iteration being a volume element Updating one or more of the estimated material properties of (d) and (d) relabeling the reconstructed volume that is indicative of a sample, the region of material having similar properties It includes classifying to.
本発明のいくつかの実施形態は、断層撮影再構成をビーム・ハードニングに関して補正する方法を提供する。この方法は、断層撮影投影データから初期断層像を再構成する。この方法は、次いで、断層像に容器のみ前補正を適用して、試料材料を保持する容器に起因するビーム・ハードニング効果に関して補正し、試料材料自体に起因するビーム・ハードニング効果に関しては補正しない。次に、この方法は、断層像を2つ以上の相にセグメント化する。セグメント化された断層像に基づいて、この方法は、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出する。この方法は、次いで、このRPC補正を断層撮影投影データに適用して、ビーム・ハードニング効果に関して補正する。補正された投影から、この方法は、最終断層像を再構成する。 Some embodiments of the present invention provide a method of correcting tomographic reconstruction for beam hardening. This method reconstructs the initial tomogram from the tomographic projection data. The method then applies container-only pre-correction to the tomographic image to correct for beam hardening effects due to the container holding the sample material, correction for beam hardening effects due to the sample material itself do not do. The method then segments the tomogram into two or more phases. Based on the segmented tomograms, the method calculates a no reference post reconstruction correction (RPC) correction. The method then applies this RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects. From the corrected projections, the method reconstructs the final tomogram.
いくつかの実施形態では、RPCを適用することが、セグメント化された断層像のそれぞれの相を再投影して、材料ごとに模擬単色投影を生成することをさらに含み、この模擬単色投影が積分減衰空間で算出される。いくつかの実施形態では、この方法が、容器だけを通過する一組の放射線を選択し、選択された一組の放射線に基づいて容器に関する積分減衰を算出することによって、容器のみ前補正を生成することを含む。 In some embodiments, applying the RPC further comprises reprojecting each phase of the segmented tomogram to produce a simulated monochromatic projection for each material, the simulated monochromatic projection being integral Calculated in attenuation space. In some embodiments, the method generates a container-only pre-correction by selecting a set of radiation that passes only the container and calculating an integral attenuation for the container based on the selected set of radiation. To do.
いくつかの実施形態では、この方法が、予め定められた容器形状データを受け取ること、およびこの予め定められた容器形状データに基づいて容器のみ前補正を生成することを含む。他の実施形態では、断層像をセグメント化することが、容器のみ前補正を生成する目的に使用される容器形状データを提供する。 In some embodiments, the method includes receiving predetermined container shape data and generating a container only pre-correction based on the predetermined container shape data. In another embodiment, segmenting the tomogram provides container shape data that is used for the purpose of generating a container only precorrection.
いくつかの実施形態では、このセグメント化が、半径方向距離およびグレースケール強度を使用して相を区別するk平均クラスタリング技法を実行することを含む。 In some embodiments, this segmentation includes performing a k-means clustering technique to distinguish phases using radial distance and grayscale intensity.
いくつかの実施形態では、最終断層像を再構成することが、(a)試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定するステップと、(b)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正するステップと、(c)断層撮影再構成アルゴリズムの1回または数回の追加の反復を実行するステップであり、それぞれの反復が、体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を更新するステップと、(d)試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類するステップとをさらに含む。 In some embodiments, reconstructing the final tomogram determines (a) one or more estimated material properties of multiple volume elements in the sample using a tomography reconstruction algorithm And (b) determining, by volume element, the most likely material in the material dictionary, by referencing one or more estimated material properties by referring to the stored material property data. Modifying based on the dynamic classification and (c) performing one or more additional iterations of the tomography reconstruction algorithm, each iteration being estimated one or more of the volume elements (D) labeling the reconstructed volume indicating that it is a sample and classifying it into regions of material having similar properties; Further comprising.
いくつかの実施形態では、断層像を2つ以上の相にセグメント化することが、集塊材料の少なくとも1つの相に分離することをさらに含む。 In some embodiments, segmenting the tomogram into two or more phases further comprises separating into at least one phase of the agglomeration material.
いくつかの実施形態では、この方法が、集塊材料を同定するために、集塊材料ライブラリを参照することを含む。 In some embodiments, the method includes referring to the agglomerate material library to identify agglomerate material.
コンピュータ・ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアの両方の組合せ、またはコンピュータ可読の非一時的記憶装置に記憶されたコンピュータ命令によって、本発明の実施形態を実現または実施することができることを認識すべきである。方法は、標準プログラミング技法を使用し、本明細書に記載された方法および図に基づいて、コンピュータ・プログラムとして実現することができ、このコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・プログラムを含むように構成されたコンピュータ可読の非一時的記憶媒体を含み、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め決められた特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブラ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用集積回路上で実行することができる。 It should be appreciated that embodiments of the present invention may be implemented or implemented by computer hardware, a combination of both hardware and software, or computer instructions stored in a computer readable non-transitory storage device. . The method may be implemented as a computer program using standard programming techniques and based on the methods and figures described herein, the computer program being configured to include the computer program A computer readable non-transitory storage medium, configured as such, causes the computer to operate in a predetermined and predetermined manner. Each program may be implemented in a high level procedural or object oriented programming language to communicate with a computer system. However, if desired, the programs can also be implemented in assembler or machine language. In any case, the language can be the language to be compiled or interpreted. Furthermore, the program can be run on a dedicated integrated circuit programmed to run the program.
さらに、方法論は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化装置とは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化装置と一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化装置と通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、適当な断層撮影データ走査装置に動作可能に接続された任意のタイプのコンピューティング・プラットホームで実現することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび/または書込み記憶媒体、RAM、ROMなどの非一時的記憶媒体または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読んだときに、そのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読むことができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。これらのタイプの非一時的コンピュータ可読記憶媒体およびその他のさまざまなタイプの非一時的コンピュータ可読記憶媒体がマイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む場合には、本明細書に記載された発明は、これらの非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされた場合には、コンピュータ自体を含む。 Further, the methodology communicates with, but is not limited to, separate from the charged particle tool or other imaging device, integral with the charged particle tool or other imaging device, or the charged particle tool or other imaging device Any type operatively connected to a suitable tomographic data scanning device, including personal computers, minicomputers, mainframes, workstations, networked or distributed computing environments, computer platforms, etc. Can be implemented on any computing platform. Aspects of the invention, whether removable or integral with a computing platform, hard disk, optical read and / or write storage medium, non-transitory storage medium such as RAM, ROM or the like or Machine readable code stored on a storage device, wherein the programmable computer configures the computer as it reads the storage medium or storage device to perform the procedures described herein. And for operation, it can be implemented as machine readable code stored so that the computer can read it. Additionally, the machine readable code or a portion of the machine readable code may be transmitted via a wired or wireless network. These types of non-transitory computer-readable storage media and various other types of non-transitory computer-readable storage media include instructions or programs that implement the above-described steps in conjunction with a microprocessor or other data processing apparatus. In the case, the invention described herein includes these non-transitory computer readable storage media. The invention further includes the computer itself when programmed according to the methods and techniques described herein.
入力データに対してコンピュータ・プログラムを使用して、本明細書に記載された機能を実行し、それによって入力データを変換して、不揮発性記憶装置に記憶された出力データを生成することができる。この出力情報は、ディスプレイ・モニタなどの1つまたは複数の出力装置に出力することもできる。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータが物理的な実在する物体を表し、これには、その物理的な実在する物体の特定の視覚的描写をディスプレイ上に生成することが含まれる。 A computer program can be used on the input data to perform the functions described herein and thereby convert the input data to produce output data stored in the non-volatile storage device . This output information may also be output to one or more output devices, such as a display monitor. In a preferred embodiment of the invention, the transformed data represents a physical reality object, which includes generating on the display a specific visual depiction of the physical reality object.
断層撮影再構成およびセグメント化プロセスが提供され、したがって、材料の物理属性に基づくセグメント化を、材料ライブラリからの入力を使用して生み出すシステムが提供される。好ましい実施形態では、再構成アルゴリズムの多数の反復において、再構成とセグメント化の両方が、体積要素のZ(原子番号)およびρ(密度)を更新する。好ましいセグメント化プロセスは、材料ライブラリ内の既知の材料に対してベストマッチング手法を使用して、更新されたラベルをボクセルに提供し、断層像内のボクセル値および局所的な強度変動に基づくクラスタリングを提供しない。いくつかの実施形態では「ラベル付け」が、セグメント化にある程度、対応するが、このセグメント化は、このデータに基づくだけではなく(ボクセルまたは領域は、それらの間で局所的に観察される相対的な強度差によって他のものから分離される)、(それぞれのボクセルを独立して処理することができるように)材料ディクショナリの追加の既知のデータを使用した「ボクセル」マッチングにもよる。デュアル・エネルギー取得は、この特定のラベル付け/セグメント化を提供するための物理属性の再構成を容易にする。さらに、次の反復で、セグメント化の結果を検証することができる。これは、断層撮影再構成で使用される順モデルも、これらの同じ物理特性に基づくためである。 A tomographic reconstruction and segmentation process is provided, thus providing a system for producing segmentation based on physical attributes of materials using input from a material library. In a preferred embodiment, both reconstruction and segmentation update Z (atomic number) and rho (density) of the volume element in multiple iterations of the reconstruction algorithm. The preferred segmentation process provides voxels with updated labels using best matching techniques for known materials in the material library, and clustering based on voxel values and local intensity variations in tomograms. Do not provide. In some embodiments "labeling" corresponds to some degree to segmentation, but this segmentation is not only based on this data (voxels or regions are locally observed among them) It also depends on "voxels" matching using additional known data of the material dictionary (as separated from others by different intensity differences) (so that each voxel can be processed independently). Dual energy acquisition facilitates the reconstruction of physical attributes to provide this particular labeling / segmentation. In addition, at the next iteration, the segmentation results can be verified. This is because the forward model used in tomographic reconstruction is also based on these same physical properties.
本発明のさまざまな実施形態が、論文「Dual−Energy Iterative Reconstruction for Material Characterization」、Proc.SPIE 9212、Developments in X−Ray Tomography IX、921213(2014年9月11日)および「Correction of Beam Hardening Artefacts in Microtomography for Samples Images in Container」、Proc.SPIE 9212、Developments in X−Ray Tomography IX、92120A(2014年9月11日)に詳細に記載されている。これらの論文は参照によって本明細書に組み込まれている。 Various embodiments of the present invention are described in the article "Dual-Energy Iterative Reconstruction for Material Characterization", Proc. SPIE 9212, Developments in X-Ray Tomography IX, 921213 (September 11, 2014) and "Correction of Beam Hardening Artefacts in Microtomography for Samples Images in Container", Proc. SPIE 9212, Developments in X-Ray Tomography IX, 92120 A (September 11, 2014). These articles are incorporated herein by reference.
いくつかの実施形態は、材料ディクショナリとの材料マッチングに基づく透過断層撮影用のデュアル・エネルギー順序付きサブセット凸法(dural−energy ordered subsets convex method)を提供する。このような再構成は、提供された材料データベースに基づく分布に従うように、再構成された原子数(Z)および密度(ρ)体積の材料特性に強制する制約付き更新を含む。この材料分布を管理するため、確率的分類技法も提供される。このプロセスは全体として、化学的にセグメント化された体積・データを生成し、断層撮影再構成後に計算される逐次的なラベル付けよりも優れている。 Some embodiments provide a dual energy ordered subset convex method for transmission tomography based on material matching with the material dictionary. Such reconstructions include constrained updates that force the reconstructed atomic number (Z) and density (ρ) volume material properties to follow the distribution based on the provided material database. Probabilistic classification techniques are also provided to manage this material distribution. This process as a whole produces chemically segmented volume data and is superior to the sequential labeling calculated after tomographic reconstruction.
材料特性評価の分野では、デュアル・エネルギー断層撮影を使用して、2つのエネルギーE1およびE2で取得されたデータを結合することによって、試験体の密度ρおよび原子番号Z(または実効原子番号Zeff)の分布を回復することができる。このような特性評価は、ρとZの両方に依存し、取得エネルギーEに従う、取得された試料のそれぞれの点xにおける減衰μE(x)モデルに基づく。 In the field of material characterization, the density ρ and atomic number Z (or effective atomic number Z eff ) of the specimen by combining the data acquired at the two energies E1 and E2 using dual energy tomography ) Can be restored. Such characterization is dependent on both 減 衰 and Z and is based on the decay μ E (x) model at each point x of the acquired sample, according to the acquisition energy E.
本明細書の1つの実施形態は、再構成アルゴリズムの順モデルにおいて減衰関数式(1)を直接に使用する透過断層撮影用の順序付きサブセット凸(OSC)アルゴリズムに基づくデュアル・エネルギー反復再構成法を使用する解決策を提供する。再構成中に、このプロセスは、それぞれのボクセルを材料ディクショナリと突き合わせることによって、試験体の物理特性を推定する。この推定は、ディクショナリ内の最も確からしい材料をこのプロセスがそれぞれのボクセルに割り当てることを可能にする確率的分類に基づく。この分類は、このアルゴリズムの後続の反復中に検証され、誤ったマッチングを補正することができる。このアルゴリズムの結果は、被走査物体の物理属性に従って既にセグメント化された再構成である。 One embodiment herein is a dual energy iterative reconstruction method based on the ordered subset convex (OSC) algorithm for transmission tomography that directly uses the damping function equation (1) in the forward model of the reconstruction algorithm Provide a solution to use. During reconstruction, this process estimates the physical properties of the specimen by matching each voxel to the material dictionary. This estimation is based on probabilistic classification which allows this process to assign the most probable material in the dictionary to each voxel. This classification can be verified during subsequent iterations of the algorithm to correct for false matches. The result of this algorithm is a reconstruction that has already been segmented according to the physical attributes of the scanned object.
この反復プロセスは、セグメント化およびラベル付けの既存のシーケンス中の連続するステップの独立を回避する。実際、再構成中の近似が、残りのシーケンスに劇的に作用することがある。反対に、本明細書で使用される反復処理は、後続の反復中のラベル付けの誤りを補正することができる。さらに、本発明の発明者およびオーストラリア国立大学(ANU)の彼らの研究グループによって、ANUの高コーン角ヘリカル走査マイクロCT施設向けに、いくつかの取得最適化および動的断層撮影法が開発された。これらの方法のいくつかが、Optical Engineering and Applications.(2014)において受理されたMyers,G.、「Improving dynamic tomography quality through a maximum a posteriori model」、SPIE Optics and Photonicsにおいて提案された。この文献は、本明細書の技法に従って材料特性評価を含むように適合させることができる反復方法を、それらの方法自体の処理目標とともに提供する。 This iterative process avoids the independence of successive steps in the existing sequence of segmentation and labeling. In fact, the approximations during reconstruction may act dramatically on the remaining sequences. Conversely, the iterative process used herein can correct for labeling errors in subsequent iterations. In addition, the inventors of the present invention and their research group at the Australian National University (ANU) have developed several acquisition optimization and dynamic tomography methods for the high cone angle helical scanning microCT facility of ANU. . Some of these methods are described in Optical Engineering and Applications. Myers, G., accepted in (2014). "Improving dynamic tomography quality through a maximum a posteriori model", proposed in SPIE Optics and Photonics. This document provides an iterative method that can be adapted to include material characterization in accordance with the techniques herein, along with the processing goals of the methods themselves.
以下では、数値シミュレーションに基づく提案されたいくつかの材料特性評価手法の研究が記載される。目的は、雑音に強い効率的なボクセル材料ラベル付けを実行する、Z(x)体積およびρ(x)体積または[Znρ](x)体積およびρ(x)体積に関する最も確からしい関数を定義することである。次いで、反復中の材料特性評価を含む、デュアル・エネルギー反復再構成アルゴリズムを紹介する。 In the following, the study of several proposed material characterization methods based on numerical simulation is described. The objective is to perform noise efficient efficient voxel material labeling, most likely function with respect to Z (x) and ρ (x) or [Z n ]] (x) and ρ (x) volumes It is to define. We then introduce a dual energy iterative reconstruction algorithm that includes material characterization during the iteration.
材料ディクショナリおよび数値シミュレーション
以下に記載される研究は、岩石試料を模擬する合成物体の数値解析に基づく。この試料は、表1に記載された材料データベースを使用してモデル化される。この数値試料は、異なる球形鉱物粒がランダムに充填された円筒容器からなる。選択した鉱物組成は、石英60%、カオリナイト20%、方解石20%である。分析物体は、再構成されたデータと比較するために、N3ボクセル・体積にラスタ化される(すなわち、N3は、再構成された体積・サイズに対応する)。図1(a)〜(c)は、本明細書の技法を用いて調べられた合成物体の図であり、表1に示されたラベルで陰影付けされたその物体のZ(x)体積の2D中心スライスおよびρ(x)体積の2D中心スライス、ならびに3D多平面レンダリングを示す図である。模擬物体のこれらの図では、(a)が、物体Z(x)体積の中心スライスを示し、(b)が、物体ρ(x)体積の中心スライスを示し、(c)が、5123個のボクセル・体積に画像化された物体の3D視覚化を示す。
Material Dictionary and Numerical Simulation The studies described below are based on numerical analysis of synthetic objects that simulate rock samples. This sample is modeled using the material database described in Table 1. This numerical sample consists of a cylindrical container randomly filled with different spherical mineral particles. The mineral composition chosen is 60% quartz, 20% kaolinite and 20% calcite. Analytes are rasterized into N 3 voxel volumes for comparison with the reconstructed data (ie, N 3 corresponds to the reconstructed volume size). FIGS. 1 (a)-(c) are diagrams of a composite object examined using the techniques herein, and of the Z (x) volume of that object shaded with the labels shown in Table 1. Figure 2 shows 2D central slice and 2D central slice of ρ (x) volume, and 3D multi-planar rendering. In these figures of the simulated object, (a) shows the central slice of the object Z (x) volume, (b) shows the central slice of the object ((x) volume, and (c) shows 512 3 3D shows a 3D visualization of an object imaged into a voxel volume of.
順序付きサブセット凸再構成
確立された反復期待値最大化(EM)アルゴリズムは、一組の放射線写真から試料の3D構造体積を提供する断層撮影再構成の幅広いクラスを指す。所与の試料μに基づく測定値Rを観察するp(R|μ)で示される期待値は、下式によって定義することができるポアソン分布に従う。
Ordered Subset Convex Reconstruction The established iterative expectation maximization (EM) algorithm refers to a broad class of tomographic reconstructions that provides a 3D structural volume of a sample from a set of radiographs. An expected value represented by p (R | μ) observing a measurement value R based on a given sample μ follows a Poisson distribution which can be defined by the following equation.
材料特性評価:シミュレーション研究
μE1(x)およびμE2(x)をそれぞれ、エネルギーE1およびE2における2つの取得から標準OSCアルゴリズムを用いて再構成された断層像とする。以下の式系のうちの一方の式系をそれぞれのボクセルxで解くことによって、体積対(Z,ρ)または([Znρ],ρ)を回復することができる。
Material characterization: Simulation studies μE 1 (x) and μE 2 (x), respectively, are tomograms reconstructed from the two acquisitions at energies E 1 and E 2 using the standard OSC algorithm. The volume pair (Z,)) or ([Z n ]],)) can be recovered by solving one of the following equation systems at each voxel x.
この項では、再構成された1つのボクセルが材料ディクショナリ内の1つの材料に対応すると推定するいくつかの確率的材料マッチング関数を定義し、それらの関数を比較する。式10を使用してρ、Zまたは[Znρ]を決定することができるため、マッチング関数は、1つまたはいくつかの再構成された材料特性と材料データベース内のそれらの固有値との比較に基づく。 In this section, we define several probabilistic material matching functions that assume that one reconstructed voxel corresponds to one material in the material dictionary and compare those functions. Since 関 数, Z or [Z n ]] can be determined using Equation 10, the matching function compares one or several reconstructed material properties with their eigenvalues in the material database based on.
再構成されたデータZ(x)、ρ(x)および[Znρ](x)はそれぞれ、有効な材料値の付近ではガウス分布に従うものとみなす。次いで、ボクセルxが材料m∈Mに対応する確率を、下式 Reconstructed data Z (x), ((x) and [Z n ]] (x) are each considered to follow a Gaussian distribution around valid material values. Then, the probability that voxel x corresponds to material m ∈ M is
本発明の発明者は、本明細書に組み込まれている「Dual−Energy Iterative Reconstruction for Material Characterization」という表題の論文に、5つのマッチング関数(式11および式12)(この例ではpt=0.8)に従って表1の材料データベースの確率材料分布を調べたデータを提供している。それらの結果は特に、(数値試料中で使用される化学物質だけを含む)制限された材料データベースを使用したときに、同じ確率関数に対するより大きなデータベースまたは完全なデータベースを使用したときに比べて、この分布に対して有利な影響を示す。 The inventor of the present invention describes in the article entitled “Dual-Energy Iterative Reconstruction for Material Characterization”, which is incorporated herein, five matching functions (Equation 11 and Equation 12) (in this example p t = 0). According to .8), data are provided for examining the probability material distribution in the material database of Table 1. These results are particularly relevant when using a restricted material database (containing only the chemicals used in the numerical samples), as compared to using a larger or complete database for the same probability function. It shows an advantageous effect on this distribution.
最後に、それぞれのマッチング関数を使用して分類ラベル付けを適用する。この分類は、それぞれのボクセルに、使用される確率関数をmが最大にするような材料m∈Mのラベルを付ける。図4(b〜f)の陰影が付けられた画像は、参照画像(模擬物体の中心スライス)と比較したそれぞれの方法の結果を示す。正しくラベル付けされた数(図4のCorr.%)は、それぞれの関数が、試料を構成するボクセルの少なくとも50%で、完全なディクショナリから正しく回復したことを示している。たとえ異なる結果間の差がそれほど大きくないことが観察されるとしても、pZρを使用すると最良の結果が得られる。図5(b〜f)は、材料ディクショナリが、取得された試料を構成する化学物質に制限されるときの、最も確からしい材料の結果を示す。このラベル付けプロセスは、マッチング関数を問わず、より良好な結果を達成する。しかしながら、pZおよびp[Znρ]によって得られた結果は他に比べて高いことが分かる。このように、(Z,ρ)体積および([Znρ],ρ)体積から正確なマッチングを実行することを期待することができる。 Finally, apply classification labeling using each matching function. This classification labels each voxel with a material m∈M such that m maximizes the probability function used. The shaded images in FIG. 4 (b-f) show the results of each method as compared to the reference image (center slice of the simulated object). Correctly labeled numbers (Corr.% In FIG. 4) indicate that each function has correctly recovered from the complete dictionary in at least 50% of the voxels making up the sample. Even though it is observed that the difference between the different results is not so great, the use of pZp gives the best results. FIG. 5 (b-f) shows the result of the most likely material when the material dictionary is limited to the chemicals that make up the acquired sample. This labeling process achieves better results regardless of the matching function. However, it can be seen that the results obtained with pZ and p [Z n ]] are higher than others. Thus, one can expect to perform an exact match from the (Z,)) and ([Z n ]],)) volumes.
デュアル・エネルギー再構成および材料マッチング
本明細書において、(Z,ρ)体積および([Znρ],ρ)体積から材料ラベル付けを実行することができることが分かった。後者は、ρ体積の雑音によって限定されないという利点を有する。しかしながら、前項で詳述したマッチング・プロセスは断層撮影再構成後に実行されるが、このプロセスを、反復再構成技法中に実行することもでき、アルゴリズムの後続の反復中に、誤ったマッチングを補正することができる。したがって、次に、修正されたデュアル・エネルギーOSCアルゴリズムについて詳述する。このアルゴリズムは、([Znρ],ρ)体積の再構成に基づき、それぞれの反復でのボクセルの制約付き更新を含む。この更新は、再構成中のそれぞれのボクセルを、データベース内の最も確からしい材料により近づける。
Dual Energy Reconstruction and Material Matching It has been found herein that material labeling can be performed from (Z, ρ) and ([Z n ]],)) volumes. The latter has the advantage that it is not limited by noise in the 体積 volume. However, although the matching process detailed in the previous section is performed after tomographic reconstruction, this process can also be performed during the iterative reconstruction technique and corrects the incorrect matching during subsequent iterations of the algorithm can do. Therefore, the modified dual energy OSC algorithm will now be detailed. This algorithm is based on the reconstruction of the ([Z n ]],)) volume and includes a constrained update of voxels at each iteration. This update brings each voxel in the reconstruction closer to the most likely material in the database.
このアルゴリズムの順モデルは、 The forward model of this algorithm is
次に、前項で使用したE1およびE2における同じ一組の取得を使用して、このアルゴリズムを適用する。この例では、pβ=pt=0.8とし、制約付き更新では確率関数ρ[Znρ]を使用した。これは、予備的研究においてこの関数が平均して最良の結果を与えたためである。それぞれ完全なデータベースおよび制限されたデータベースを使用して再構成され/ラベル付けされた結果として生じるデータの中心スライスが図6(b〜c)に示されている。この技法は、試料を含むボクセルの66%超を完全な材料データベースから正しくラベル付けし、試料を含むボクセルの87%超を制限された材料データベースから正しくラベル付けした。それに対して、再構成後にセグメント化/ラベル付けした場合にはそれぞれ54%および77%であった。このように、制約付き反復再構成を使用すると、同じ確率関数について10%を超える利得が観察される。これらの結果は、断層撮影再構成を材料ラベル付けと組み合わせることの有効性を示す。しかしながら、それらの結果には依然として、雑音および部分体積効果に起因する材料ラベル付けの誤りが見られる。 Next, apply this algorithm using the same set of acquisitions at E 1 and E 2 used in the previous section. In this example, pβ = pt = 0.8, and the constrained update used the probability function [[Zn ρ ]. This is because this function averaged the best results in preliminary studies. The central slices of the resulting data reconstructed / labeled using the complete and restricted databases, respectively, are shown in FIG. 6 (b-c). This technique correctly labeled over 66% of the voxels containing the sample from the complete material database, and correctly labeled over 87% of the voxels containing the sample from the restricted material database. On the other hand, they were 54% and 77%, respectively, when they were segmented / labeled after reconstruction. Thus, using constrained iterative reconstruction, gains of more than 10% are observed for the same probability function. These results demonstrate the effectiveness of combining tomographic reconstruction with material labeling. However, those results still show material labeling errors due to noise and partial volume effects.
以上、材料ディクショナリに含まれる物理特性に従って断層像のそれぞれのボクセルにラベルを付けるいくつかの確率的技法を記載した。それらのマッチング技法は、データベース内のそれぞれの材料のその最も近い近傍に対する局所的な識別可能性に基づく。したがって、等価の定量的結果を有する(Z,ρ)体積または([Znρ],ρ)体積からの材料ラベル付けを達成することができる。しかしながら、セグメント化の後にラベル付けが実行される場合には、物理モデルに従って材料ラベル付けを補正することが難しい。さらに、反復再構成は、材料特性に基づくX線放射との物理的な相互作用を組み込むことができるため、([Znρ],ρ)体積の再構成に基づき、それぞれの反復の終わりに制約付き更新を含む、デュアル・エネルギーOSCアルゴリズムを提供した。この追加の更新は、([Znρ],ρ)の値を、最良の確率を提供する材料mの理論値により近づける。このようなプロセスは、断層撮影再構成と材料分類とを逐次的に実行するプロセスに比べてより良好な物体再構成およびより正確なラベル付けをともに達成する。(Siddiqui他およびHeismann他が提供しているように)ビーム・ハードニング補正を適用し、次いで2つの単色エネルギーを仮定することによって、上記の実施形態は、2つの多色スペクトルに適用されるように拡張される。これらの技法は、([Znρ],ρ)投影を抽出して、([Znρ],ρ)体積を再構成し、その際、中間物Δμt(x,E1)およびΔμt(x,E2)を回避し、多色スペクトルに関して一度に補正する。異なるエネルギーのところに中心を持つデュアル多色X線スペクトルを使用するさまざまな実施形態が、これらの技法と、本明細書に記載されたデュアル再構成/ラベル付けとの組合せを含むことができる。 The foregoing has described several probabilistic techniques for labeling each voxel of a tomogram according to physical properties contained in a material dictionary. The matching techniques are based on local identifiability to their closest neighbors of each material in the database. Thus, material labeling from (Z,)) or ([Z n ]],)) volumes with equivalent quantitative results can be achieved. However, when labeling is performed after segmentation, it is difficult to correct material labeling according to the physical model. Furthermore, since the iterative reconstruction can incorporate physical interactions with x-ray radiation based on material properties, based on the reconstruction of the ([Z n ]],)) volume, at the end of each iteration Provided dual energy OSC algorithm including constrained update. This additional update brings the value of ([Z n ]],)) closer to the theoretical value of the material m providing the best probability. Such a process achieves better object reconstruction and more accurate labeling together as compared to the process of sequentially performing tomographic reconstruction and material classification. By applying a beam hardening correction (as provided by Siddiqui et al. And Heismann et al.) And then assuming two monochromatic energies, the above embodiment is applied to two polychromatic spectra Extended to These techniques extract the ([Z n ]],)) projections and reconstruct the ([Z n ]],)) volume, with the intermediates Δμ t (x, E 1 ) and Δμ Avoid t (x, E 2 ) and correct for polychromatic spectra at once. Various embodiments using dual polychromatic x-ray spectra centered at different energies can include a combination of these techniques and dual reconstruction / labeling as described herein.
図1(a)は、いくつかの実施形態に基づく断層撮影再構成およびセグメント化プロセスの流れ図である。プロセス100はブロック101から始まり、ブロック101で、その試料中に存在すると予想される材料の特性を含む材料ライブラリまたはデータ記憶域を提供する。この実施形態では、この特性が、少なくとも、予想される材料の原子番号(Z)および密度(ρ)を含む。データ記憶域は、例えば医用材料(生体試料もしくは組織試料)、鉱物または半導体など、断層撮影を用いて調べることができる任意の材料に関するデータを含むことができる。上で論じたとおり、データ記憶域は、分析される試料のタイプに基づいて選択された、試料中に存在すると予想される材料またはおそらく試料中に存在するであろう材料に限定されていることが好ましい。データ記憶域は、試料中に存在する可能性があるが、試料中に存在する可能性は高くない材料など、それ以外の材料を含むこともできる。いくつかのプロセスは、分析対象の試料のタイプに基づいて、使用するデータ記憶域を選択するステップを含むことができる。例示的な1つのシステムのブロック図を示す図1(c)を参照すると、複数の材料特性を含む材料ライブラリまたはデータ記憶域19が示されており、上で論じたとおり、それぞれの材料特性セットは、対応するそれぞれの材料に関連づけられている。
FIG. 1 (a) is a flowchart of a tomographic reconstruction and segmentation process in accordance with some embodiments. Process 100 begins at
次に、ブロック102および103で、このプロセスは、多数の方向から試料に向かってX線を導き、試料を横切るX線の強度を測定することによって、断層撮影データ取得を実施する。上述のデュアル・エネルギー取得プロセスなど、多X線エネルギー・スペクトルを用いる断層撮影X線プロセスを含む、適当な任意の断層撮影X線プロセスを実施することができる。他の実施形態は、3つまたは4つなど、2つよりも多くのエネルギー・レベルを使用することができ、いくつかの実施形態は、1つのエネルギー・レベルだけを使用する。上で述べたとおり、このプロセスは、例えば医用試料(生体試料もしくは組織試料)、鉱物または半導体など、調べる試料のタイプに応じて、放射断層撮影または透過断層撮影を使用することができる。
Next, at
図1(c)の略ブロック図に示されているように、断層撮影X線の走査および検出は、システム・コントローラ15の制御下で実施されることが好ましい。システム・コントローラ15は、デュアル・エネルギーX線ビーム11にコマンドを発して、所望のとおりに試料13に照射する。回転試料ホルダまたは試料ステージ14は、試料を保持し、試料を回転させて、所望の回数の断層撮影投影を達成する。X線検出器12は、試料を通過したX線の強度を測定する。図1(c)の断層撮影システム10を、走査電子顕微鏡(SEM)、「X−Ray Microscopy and Tomography Imaging Methods and Stnictures」という名称の米国特許仮出願第61/981,330号に記載されている装置などの別の走査装置に組み込むことができる。この米国特許仮出願は、2015年3月12日に出願された「High Aspect Ratio X−Ray Targets And Uses Of Same」という名称の米国特許出願第14/645,689号に変更された。これらの出願はともに、参照によって本明細書に組み込まれている。本発明の一実施形態を実現するためのこのような装置は、電子源、電子源からの電子を集束させてビームにする電子集束カラム、電子ビームが衝突したときにX線を放出するターゲットを含み、このX線は、試料を通過し、1つまたは複数のX線検出器によって検出される。他の実施形態では、X線放出器11が、シンクロトロンからの放射線を多方向から試料に向かって導くことができる。システム・コントローラ15は通常、ディスプレイおよびユーザ入力装置を有するユーザ・インタフェース16を備えるマイクロプロセッサ・マザーボードまたはコンピュータとして実装される。プロセッサ17は、材料ライブラリ19、断層撮影再構成およびセグメント化のための命令コード、ならびに装置11、12および14のためのドライバおよびコントローラ・ソフトウェアを記憶する記憶装置に動作可能に接続されている。断層撮影データの分析および表示を加速させるため、プロセッサ17は、専用画像グラフィックス・プロセッサまたは1つもしくは複数の別個のグラフィックカードを含むことができる。
As shown in the schematic block diagram of FIG. 1 (c), the scanning and detection of the tomographic X-rays are preferably performed under the control of the system controller 15. The system controller 15 commands the dual energy x-ray beam 11 to irradiate the
図1(a)を再び参照する。断層撮影データを取得した後、プロセス100はブロック104に進み、ブロック104で、試料中の材料の原子番号および密度を反復断層撮影再構成によって決定する断層撮影再構成およびセグメント化アルゴリズムを開始する。ブロック104は、試料中の多数の体積要素の推定される原子番号および推定される密度を、上述の適当なアルゴリズムのうちの1つのアルゴリズムなどの断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定する。次に、ブロック106で、このプロセスは、確率的分類を算出して、材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を、1つまたは複数の体積要素について決定する。このステップにおけるこの算出は、最良の性能を有するものとして上に記載された分類関数、同じようには機能しないと評価された分類関数、および他の適当な分類関数を含む、適当な任意の確率的分類関数を含むことができる。
Refer back to FIG. 1 (a). After obtaining the tomographic data, process 100 proceeds to block 104 and initiates a tomographic reconstruction and segmentation algorithm at
次に、ブロック107で、このプロセスは、材料ライブラリまたはデータ記憶域からの既知の材料の原子番号および密度を参照することによって、推定される原子番号および推定される密度を修正する。上で論じたとおり、このステップは、直前のステップからの分類関数の結果を使用し、識別された最も確からしい材料の特性を使用することが好ましい。いくつかの実施形態では、このステップが、上述のしきい値などのしきい値を含む制約付き更新を用いてこれらの数値を修正して、修正後の数値が、材料ディクショナリ内の決定された最も確からしい材料の数値により近くなるようにすることを含む。
Next, at
次に、ステップ108で、このプロセスは、試料であることを示している再構成された体積要素にラベルを付けて、同様の原子番号および密度を有する材料の領域に分類する。このラベルは、その材料の領域が、決定された最も確からしい材料からなることを示し、または、その材料の領域が、最も確からしい材料を含むことを示すことが好ましい。ステップ108に到達したのがこのさらなるプロセスの反復においてあった場合、ステップ108は、体積要素のラベルを更新することができ、この更新は、再構成されたモデル内の以前に識別された領域を変更することができる。このラベルを、再構成アルゴリズムで使用される対応するそれぞれの体積要素の推定される属性とは別のデータ要素とすることができることに留意されたい。これらのラベルは、対応するそれぞれの更新された体積要素について、1つもしくは複数の周囲の体積要素(ボクセル)との関連を生成するデータ要素とすることができ、または、識別された領域の境界のボクセルにラベルを付けることができ、または、背景技術の項で論じた断層撮影再構成に続くセグメント化プロセス中にそのフィールドで以前に使用されたボクセル・データを表す公知の技法に従ってボクセルを一緒に組合わせもしくは関連づけることができる。
Next, at
次に、ブロック109で、このプロセスは、断層撮影再構成およびセグメント化アルゴリズムの反復が完了したかどうかを判定する。このブロックは、データが収斂したかどうか(すなわち、そのデータが直前の反復からあまり変化していないかどうか)をチェックすることを含むことができ、または、所定の回数の反復が完了したかどうかをチェックすることを含むことができる。反復回数は、試料のタイプまたは試料の3次元構造の観察された複雑さに基づいて選択される。反復が完了したかどうかを判定する他の適当な方法を使用することもできる。ブロック109で反復が完了していない場合、このプロセスはブロック110へ進み、ブロック110で、再構成アルゴリズムの次の反復に進む。この実施形態ではブロック104に戻るが、その試料のボクセル表示ではカレント・データを使用する。ブロック109で反復が完了している場合、このプロセスは、ブロック112で終了となる。この再構成アルゴリズムの出力は、その試料であることを示しているボューム要素の現在の原子番号、密度およびラベルである。断層撮影再構成アルゴリズムの示されたステップを実行するそれぞれの反復が、体積要素の修正された原子番号および密度を更新することが好ましい。
Next, at
図1(b)は、他の実施形態に基づく断層撮影再構成およびセグメント化プロセスの流れ図である。プロセス200はブロック201から始まり、ブロック201で、その試料中に存在すると予想される材料の特性を含む材料ライブラリまたはデータ記憶域を決定し提供する。このプロセスの残りの部分は、図1(a)に関して説明したプロセスと同様に進む。この流れ図は、さまざまな実施形態が他のデータ特性を使用することができることを示すために提供されたものである。さまざまな実施形態において、データ記憶域に記憶されたデータを参照して、ブロック204で推定され、ブロック207で調整される材料特性を、任意のタイプの断層撮影走査によって直接にまたは間接的に測定しまたは導き出すことができる適当な任意の特性とすることができる。例えば、放射断層撮影データ走査を使用する実施形態では、走査の強度レベルが、研究中の試料または対象に導入された放射性元素または他のトレーサの濃度に関係することがある。例えば陽電子射出断層撮影(PET)では、システムが、体内の生物学的に活性の分子上に導入された陽電子を放出する放射性核種(トレーサ)によって間接的に放出されたガンマ線(または消滅光子)の対を検出する。このような実施形態ではPET走査装置が使用される。別の例として、材料ディクショナリまたはデータ記憶域19は、X線、ガンマ線または制動放射線の質量減衰係数データを記憶することができ、断層撮影走査法の使用は、これらの透過を測定することができる。別の例として、推定される材料特性を、多数のエネルギー・レベル、例えば1つ、2つ、3つもしくは4つのエネルギー・レベルにおけるX線減衰、またはX線エネルギーの関数としての完全な減衰曲線とすることができる。ブロック204の推定、ブロック206および207の分類およびラベル付けで使用されるさらなる材料特性は、異なる特性または異なる特性セットとすることができ、アルゴリズムの異なる反復と反復の間でこのような特性を変更することができる。例えば、1つの実施形態は、原子番号および密度を使用して、その体積要素に1つのラベルを割り当てるが、次いで、反復再構成の順推定もしくはシミュレーション、または確率的分類においては、X線エネルギーの関数としての完全な減衰曲線など、その材料についての異なる追加の情報を使用する。上で論じたとおり、データ記憶域は、分析される試料のタイプに基づいて選択された、試料中に存在すると予想される材料またはおそらく試料中に存在するであろう材料に限定されていることが好ましい。いくつかの実施形態では、ブロック201が、使用する材料ライブラリを、関係する試料のタイプに基づいて選択することを含む。
FIG. 1 (b) is a flowchart of a tomographic reconstruction and segmentation process according to another embodiment. Process 200 begins at
この実施形態にはステップ204、206、207および208が記載されているが、他の実施形態は、これらのステップの全部を含まなくてもよく、または、特定の反復において、これらの全てのステップよりも少ないステップを含んでもよいことに留意すべきである。例えば、いくつかの実施形態はラベル付けを含まなくてもよい。上で論じたとおり、ブロック204で実施される断層撮影再構成アルゴリズムは、適当な任意のアルゴリズム、例えば、代数再構成技法(ART)、同時ART、同時反復再構成技法(SIRT)、順序付きサブセットSIRT、乗法的代数再構成技法、最大尤度期待値−最大化、順序付きサブセット期待値−最大化、順序付きサブセット凸アルゴリズム、反復座標降下(ICD)、順序付きサブセットICDまたはモデル・ベース反復再構成を含むことができる。さらに、このプロセスは、ビーム・ハードニングに関して補正する断層撮影アルゴリズムを使用してデータを補正することを含むことができる。
Although
好ましくは、再構成中に試料体積の組成を決定することが、試料を、共通の組成の領域にセグメント化することを含み、このセグメント化が、反復再構成の完了時に決定されるボクセル特性に基づいて実行される代わりに、反復再構成中に実行される。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類することを含む。 Preferably, determining the composition of the sample volume during reconstruction comprises segmenting the sample into regions of common composition, said segmentation being a voxel characteristic determined at the completion of the iterative reconstruction Instead of being run based on it, it is run during iterative reconstruction. In some embodiments, the method further comprises labeling the reconstituted volume indicating being a sample and classifying it into regions of material having similar properties.
好ましい実施形態は、断層撮影再構成アルゴリズムの1回または数回の追加の反復を実行し、それぞれの反復は、体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を更新する。 Preferred embodiments perform one or more additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm, each iteration updating one or more estimated material properties of the volume element.
いくつかの実施形態では、推定される材料特性を、既知の材料の材料特性を参照することによって修正することが、試料中の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、確率的分類に基づいてそれらの既知の材料を決定することを含む。それらの反復のうちの少なくとも1回の反復について、推定される原子番号および推定される密度を修正することは、制約付き更新を用いてそれらの数値を修正して、修正後の数値が、材料ディクショナリ内の決定された最も確からしい材料の数値により近くなるようにすることを含む。 In some embodiments, modifying estimated material properties by reference to material properties of a known material is a probabilistic classification to determine the most likely material in the sample by volume element Including determining those known materials based on Modifying the estimated atomic number and the estimated density for at least one of the iterations corrects those numbers using constrained updating, and the corrected numbers are Including being closer to the determined most probable material value in the dictionary.
上述の好ましい実施形態は、透過断層撮影に対してデュアル・エネルギー順序付きサブセット凸法を使用するが、本発明は、任意のタイプの反復断層撮影再構成に対して適用可能である。本明細書の技法は、放射断層撮影技法とともに、また透過断層撮影とともに使用することができる。さらに、上記の好ましい実施形態は、原子番号および密度を決定すること、ならびにそれらの特性を、材料ディクショナリ内の既知の材料の原子番号および密度と比較することを含む。本発明は、任意の材料特性を決定することに対して適用可能である。さらに、参照材料特性は、減衰テーブル内など、他の形態で記憶することもできる。 Although the preferred embodiment described above uses dual energy ordered subset convex methods for transmission tomography, the invention is applicable to any type of iterative tomography reconstruction. The techniques herein may be used with emission tomography techniques and with transmission tomography. Additionally, the preferred embodiments described above include determining atomic number and density, and comparing their properties to the atomic number and density of known materials in the material dictionary. The invention is applicable to determining any material property. Furthermore, the reference material properties can also be stored in other forms, such as in a damping table.
本発明の別の態様は、論文「Correction of Beam Hardening Artefacts in Microtomography for Samples Images in Container」、Proc.SPIE 9212、Developments in X−Ray Tomography IX、92120A(2014年9月11日)に記載されている、ビーム・ハードニングに関して画像を補正する方法を提供し、この論文は本明細書に対する本特許出願の一部である。 Another aspect of the invention is the article "Correction of Beam Hardening Artefacts in Microtomography for Samples Images in Container", Proc. SPIE 9212, Developments in X-Ray Tomography IX, 92120 A (September 11, 2014), provides a method for image correction with respect to beam hardening, and this paper is incorporated by reference into this patent application Part of
ビーム・ハードニング補正
上で論じた断層撮影セグメント化技法とともに、本発明のいくつかの実施形態は、改良された参照なし多材料ビーム・ハードニング補正法を提供する。この方法は、地質学的材料の3次元画像化向けのデータ品質を維持することに重点を置いており、また、自動化を見据えている。この技法は、他の分野にも適用することができる。このビーム・ハードニング補正技法は、上で論じた再構成および材料識別技法と組み合わせて適用することができ、または、その代わりに、他の再構成技法を使用して独立して適用することもできる。この補正を積分減衰空間で適用する参照なしポスト再構成(RPC)補正技法が提供される。ビーム・ハードニング補正法に必要なセグメント化プロセスの自動化を可能にする容器のみ前補正技法も提供される。この方法は、プロセスのさまざまな段階で、材料ライブラリを参照する技法を含むさまざまなセグメント化技法を使用することができる。
Beam Hardening Corrections Along with the tomographic segmentation techniques discussed above, some embodiments of the present invention provide an improved non-referenced multi-material beam hardening correction method. This method focuses on maintaining data quality for 3D imaging of geological materials, and looks to automation. This technique can be applied to other fields as well. This beam hardening correction technique can be applied in combination with the reconstruction and material identification techniques discussed above, or alternatively can be applied independently using other reconstruction techniques. it can. A referenceless post-reconstruction (RPC) correction technique is provided that applies this correction in integral attenuation space. A container only pre-correction technique is also provided that allows for the automation of the segmentation process required for the beam hardening correction method. The method can use various segmentation techniques, including techniques that reference material libraries, at various stages of the process.
容器が導入されると、結果として生じるビーム・ハードニング・アーチファクトが、容器の内側の材料のセグメント化を難しくすることがある。この問題を解決し、この技法を容器内の試料に適用することを可能にするため、本明細書では、容器内の試料の正確な自動セグメント化を可能にする参照なしポスト再構成(RPC)法の修正が提供される。参照なしポスト再構成補正と題された項は、本明細書で詳述する主要な技法である、改良されたリファレンスレス再構成後補正(RPC)を示す。単材料試料を仮定した補正と題された下の項は、試料が単一の材料として取り扱われたときのRPC法の妥当性を検討し、その後、容器内の試料の補正と題された項では、容器内の試料に対してこの技法を改良する。補正空間:強度または減衰と題された項は、強度空間または減衰空間で補正を実施することの含意についての議論を提供する。 When a container is introduced, the resulting beam hardening artifacts can make it difficult to segment the material inside the container. In order to solve this problem and to allow this technique to be applied to the sample in the container, herein reference-free post-reconstruction (RPC), which allows accurate automatic segmentation of the sample in the container A modification of the law is provided. The section entitled No Reference Post Reconfiguration Correction shows an improved Referenceless Post Reconfiguration Correction (RPC), which is the primary technique detailed herein. The lower section entitled Correction on the assumption of a single-material sample examines the validity of the RPC method when the sample is treated as a single material, and then the section entitled Correction of the sample in the container Now, this technique is improved for the sample in the container. Correction Space: The terms entitled Intensity or Attenuation provide a discussion of the implications of performing correction in intensity space or attenuation space.
参照なしポスト再構成補正
RPC技法の概要
ここで提示する、下記の技法のベースとして使用されるRPC法は、上で論じたKrumm他の方法とは異なる。この方法は、Krumm他の技法がしたように強度空間(I/I0)で補正を適用するのではなく、積分減衰空間(R)で補正を適用する。R空間を使用することには明確ないくつかの利点があることを本発明の発明者は見出した。それらの利点を以下に示す。本明細書では、本明細書においてRPC法と言うとき、それは一般に、減衰空間で適用するように修正された方法を指す。しかしながら、これは限定を意図したものではなく、本明細書に記載された技法のうちのいくつかの技法は、強度空間を使用する先行するRPC技法ととともに使用しても利益を得ることができる。したがって、本明細書の説明は、下記のさまざまな技法と個別に組み合わされたいずれの手法の使用をもサポートすると解釈すべきである。
No Reference Post Reconstruction Correction Overview of the RPC Technique The RPC method used here as the basis of the following technique is different from the Krumm et al. Method discussed above. This method does not apply correction in intensity space (I / I 0 ) as the Krumm et al. Technique does, but applies correction in integral attenuation space (R). The inventors of the present invention have found that there are several distinct advantages to using R-space. Their advantages are shown below. As used herein, when referring to the RPC method herein, it generally refers to a method that has been modified to apply in the attenuation space. However, this is not intended to be limiting, and some of the techniques described herein may also benefit from use with prior RPC techniques that use intensity space. . Thus, the description herein should be construed to support the use of any of the various techniques individually combined with the various techniques described below.
正規化された投影データI(v,x)/I0が与えられた場合、積分された減衰Rは、(式17に従って)R=−log(I/I0)として導出することができ、これを、標準フィルタ補正逆投影法を使用して再構成して、ビーム・ハードニング・アーチファクトを含む断層像を生成する。このRPC法は、存在するそれぞれの材料を区別する再構成された断層像のセグメント化を使用して進行する。次いで、セグメント化された画像中のそれぞれの相(材料)を再投影して、材料ごとの模擬単色投影を生成する。それぞれの再投影は単色ビームを仮定しているため、結果として生じる投影中のそれぞれの画素の値は、対応する材料を通過する経路長に直接に関係づけられる。それぞれの材料iについて、この好ましいプロセスは、積分減衰空間でビーム・ハードニング補正を算出する。 Given normalized projection data I (v, x) / I 0 , the integrated attenuation R can be derived as R = −log (I / I 0 ) (in accordance with Equation 17), This is reconstructed using standard filtered backprojection to produce a tomogram containing beam hardening artifacts. The RPC method proceeds using segmentation of the reconstructed tomogram to distinguish each material present. Each phase (material) in the segmented image is then reprojected to produce a simulated monochromatic projection for each material. Because each reprojection assumes a monochromatic beam, the value of each pixel in the resulting projection is directly related to the path length through the corresponding material. For each material i, this preferred process calculates beam hardening corrections in the integral attenuation space.
セグメント化の考慮事項
Krumm他は、強度空間で適用されるKrumm他のRPC法が、ある範囲の試料タイプに関して、全ての材料(相)が互いから正確に区別されるときに非常によく機能することを示した。しかしながら、しばしば、μCT分析の目標は異なる相の分離であり、オリジナルの画像上で正確なセグメント化が可能な場合には補正は必要ない。補正に対して不正確なセグメント化が使用されると、その結果として新たなアーチファクトが導入されうる。これが起こるのは、相1が、相2とは異なる量の補正を必要とする場合に、相2として誤って識別された相1の領域が、相1の他の領域とは異なって補正され、誤って識別された相1の領域がもはや、相1の他の領域に似ていないということがあるためである。したがって、KrummのRPC法などの補正法は、実際の特徴から区別できないアーチファクトを導入することがあるため、それらの補正法を使用するときには十分に注意しなければならない。
Segmentation Considerations Krumm et al. Demonstrate that the Krumm et al. RPC method applied in intensity space works very well when all materials (phases) are correctly distinguished from one another for a range of sample types Showed that. However, often the goal of μCT analysis is the separation of the different phases, and no correction is necessary if accurate segmentation is possible on the original image. If incorrect segmentation is used for the correction, new artifacts may be introduced as a result. This occurs because if phase 1 requires a different amount of correction than phase 2, then the area of phase 1 incorrectly identified as phase 2 is corrected differently from the other areas of phase 1 This is because there is a possibility that the incorrectly identified phase 1 region is no longer similar to the other regions of phase 1. Therefore, since correction methods such as Krumm's RPC method may introduce artifacts indistinguishable from the actual features, care must be taken when using those correction methods.
Krummの方法は、わずかに不正確なセグメント化に対しては一定レベルの堅牢性を有するが、本明細書の技法に関しては、自動セグメント化方法が望ましく、したがって、Krummの方法を直接に使用することは、導入されたアーチファクトの有害な影響を軽減するためのセグメント化に対する品質管理を提供しないであろう。自動化は明白に有利であり、データ収集と再構成の両方が非常に長い時間をとる場合には特にそうである。プロセスが始まった後のユーザ入力を最小限にすることによって、データ収集、再構成および補正のプロセスの全体を補助なしに実行することができ、一晩中続けることができる。さらに、より主観的なユーザ主導のセグメント化とは違い、自動化は、一貫した結果を与える能力を有する。欠点は、セグメント化の品質が所望の正確さのレベルにあることを保証することが難しい点である。不正確なセグメント化による潜在的な忠実度の損失を回避するため、本明細書のいくつかの実施形態は、容易に区別されない多数の材料を単一の相としてグループ分けすることを提供する。これについては後に、単材料試料を仮定した補正という見出しの下でさらに説明する。 Although the Krumm method has a certain level of robustness for slightly incorrect segmentation, the auto-segmentation method is desirable for the techniques herein, and therefore, the Krumm method is used directly It will not provide quality control over segmentation to mitigate the detrimental effects of the introduced artifacts. Automation is clearly advantageous, especially when both data collection and reconstruction take very long time. By minimizing user input after the process has begun, the entire process of data collection, reconstruction and correction can be performed without assistance and can be continued overnight. Furthermore, unlike the more subjective user-driven segmentation, automation has the ability to give consistent results. The disadvantage is that it is difficult to ensure that the quality of segmentation is at the desired level of accuracy. In order to avoid potential loss of fidelity due to incorrect segmentation, some embodiments herein provide for grouping multiple materials that are not easily distinguished as a single phase. This will be further described later under the heading of correction assuming a single material sample.
ある種の相、例えば容器および試料を依然としてセグメント化しなければならないが、容易に区別されない材料をグループ分けした後は、自動セグメント化が比較的に簡単になる。自動セグメント化法を選択するかどうかは、処理対象の画像のタイプおよび品質に依存する。いくつかの実施形態では、上で論じた材料マッチングを使用するデュアル・エネルギー反復技法が有利なセグメント化を提供する。他の実施形態では、Sobelフィルタによって定義された勾配を使用したウォータシェッド・セグメント化の使用が、これらの相を分離するのに十分であることがある。後述する好ましい実施形態では、相の形状はほぼ円筒形だったため、この方法が、k平均クラスタリング技法を使用する。この技法では、半径方向の距離およびグレースケール強度を使用して相を区別する。 After grouping the materials which still have to segment certain phases, such as containers and samples, but which are not easily distinguished, auto-segmentation becomes relatively easy. The choice of an automatic segmentation method depends on the type and quality of the image to be processed. In some embodiments, dual energy iterative techniques using material matching as discussed above provide advantageous segmentation. In other embodiments, the use of watershed segmentation using gradients defined by Sobel filters may be sufficient to separate these phases. In the preferred embodiment described below, this method uses the k-means clustering technique, since the shape of the phase was approximately cylindrical. In this technique, radial distances and grayscale intensities are used to distinguish phases.
単材料試料を仮定した補正
検討する最初の試料は、0.3mmの平らなアルミニウム・シートをフィルタとして使用して、直径5mmのベントハイム砂岩を80kVで画像化した実験データである。このフィルタは、このような試料のビーム・ハードニングを軽減する目的には不十分である。図8は、異なるセグメント化に対するこの補正法の効果を示すために使用された実験砂岩試料の一連の断面を示す。図8(a)は、この砂岩の再構成された2次元スライスを示し、図8(b)には、ビーム・ハードニングのアーチファクトであるこの岩石のカッピング・アーチファクトを強調するためにコントラストが調整されたこの同じスライスが示されている。この実施形態は、内部セグメント化を実行して細孔空間を分離することによってビーム・ハードニング補正を実行するのではなしに、この砂岩試料全体を、空気とケイ素とからなる1つの相として取り扱うことによってビーム・ハードニング補正を実行する。このプロセスでは、ある量の空気−ケイ素相を通過する全ての放射線が同様の量のビーム・ハードニングを受けると仮定する。
Correction Assuming a Single Material Sample The first sample to be considered is experimental data of a 5 mm diameter bentheim sandstone imaged at 80 kV using a 0.3 mm flat aluminum sheet as a filter. This filter is insufficient for the purpose of reducing the beam hardening of such samples. FIG. 8 shows a series of cross sections of experimental sandstone samples used to show the effect of this correction method on different segmentations. FIG. 8 (a) shows this reconstructed two-dimensional slice of sandstone, and FIG. 8 (b) shows the contrast adjusted to highlight the cupping artifact of this rock, which is an artifact of beam hardening. This same slice is shown. This embodiment treats the entire sandstone sample as one phase consisting of air and silicon, rather than performing beam hardening correction by performing internal segmentation to separate pore spaces. Perform beam hardening correction by. In this process, it is assumed that all radiation passing through a certain amount of air-silicon phase suffers a similar amount of beam hardening.
図8(c)は、モデル化に関してこの岩石は凸であると仮定する、最初の可能なセグメント化を示す。図8(d)に示された結果として生じる補正された画像は、試料の周囲のわずかに明るい幅の狭いリングを除いて、カッピング・アーチファクトを補正した。このことを、最初に、セグメント化された同じ長さの相を通過するX線の減衰には分散があり、その分散は、その経路に沿った空気およびケイ素の割合に関係するということを述べることによって説明する。セグメント化された少量の領域だけを通過する放射線に関しては、すなわち、ほぼ接線方向の放射線に関しては、減衰の分散が減衰の値に比べて大きくなる。セグメント化された領域のまさに縁を通過する放射線は、実際には、100%の空気または100%のケイ素を通過しているが、それらの放射線は同じに取り扱われ、その結果、かすかに明るいリングが現れる。平均固体体積分率は試料の縁でずっと小さく、そのため、かすめ放射線は、試料を通過する経路長に関して、「内部」放射線が通過する固体材料よりもはるかに少ない量の固体材料を通過する。減衰が大きくなるにつれてこの効果は急速に低減し、そのため、試料の縁を無視することは有効であろう。 FIG. 8 (c) shows the first possible segmentation, assuming that this rock is convex for modeling. The resulting corrected image shown in FIG. 8 (d) corrected for cupping artifacts except for the slightly bright narrow ring around the sample. We state that, first, there is a dispersion in the attenuation of X-rays passing through a segmented phase of the same length, and that the dispersion is related to the proportion of air and silicon along that path Explain by. For radiation passing through only a small segmented region, i.e. for near tangential radiation, the variance of the attenuation is greater than the value of the attenuation. The radiation that passes just the edge of the segmented region actually passes through 100% air or 100% silicon, but those radiations are handled the same, resulting in a slightly bright ring Will appear. The average solid volume fraction is much smaller at the edge of the sample, so the grazing radiation passes through a much smaller amount of solid material than the solid material through which the "internal" radiation passes with respect to the path length through the sample. This effect decreases rapidly as the damping increases, so it may be useful to ignore the edge of the sample.
必要な場合には、図8(e)のように、セグメント化が、試料の周囲により近づくようにすることによって、このエッジ・リング・アーチファクトを改善することができる。図8(f)に示されているこのセグメント化による補正は、この問題を低減させるが、試料の縁に、非常にかすかに暗いリングが依然として存在する。このような技法が、多材料物体を単一の材料としてセグメント化し、参照なしポスト再構成補正技法を適用することによって多材料物体中におけるビーム・ハードニングを補正するのに効果的に機能することが示された。しかしながら、どんな材料を同じ相としてグループ分けすることができるかについては制約があり、すなわち、セグメント化された相を通る同じ経路長の全ての放射線が同様のビーム・ハードニングを引き起こす。この仮定が満たされるのは、1つのグループとしてグループ分けされた全ての材料の減衰が同様である場合か、または、この例のこの場合のように、材料が一様に不均質である場合である。 If necessary, as in FIG. 8 (e), this edge ring artifact can be improved by making the segmentation closer to the sample periphery. Although this segmentation correction shown in FIG. 8 (f) reduces this problem, there is still a very faintly dark ring at the edge of the sample. Such techniques effectively function to correct beam hardening in multi-material objects by segmenting the multi-material object as a single material and applying a referenceless post-reconstruction correction technique It has been shown. However, there is a limitation as to what materials can be grouped as the same phase, ie all radiation of the same path length through the segmented phase cause similar beam hardening. This assumption is satisfied if the damping of all the materials grouped into a group is similar, or if the materials are uniformly heterogeneous, as is the case in this example. is there.
容器内の試料の補正
2つの材料:試料および容器を仮定した補正
次に、非常に減衰性の高いチタン容器内の石英岩石試料の場合を表す模擬データを考える。図9(a)〜(b)は、チタン容器内の模擬ケイ素試料の断面を示す。図9(a)は、アメリカ国立標準技術研究所(NIST)から入手したケイ素およびチタンの減衰係数を使用して異なるエネルギーの多数の再投影を1つにまとめることによって生成されたこの手順のシミュレーションを示す。図9(a)に示されているように、このビーム・ハードニングは、容器の内縁の付近に明るいハロー効果を生じさせた。このハローは、岩石の周囲の空気をセグメント化するときに、特にそのセグメント化が自動的に試みられる場合に課題を提起する。容器自体は、例えば強度値に対して自動k平均クラスタリングを使用することによって簡単にセグメント化することができる。容器の内部のセグメント化を回避するため、容器を単一の相とみなす。明瞭にするため、このプロセスは、画像を2つの領域にセグメント化する。容器が第1の相であり、容器の内側のあらゆるものが1つのグループとしてグループ分けされ、もう一方の相として取り扱われる。次いでRPC法が適用される。その後の補正が図9(b)に示されている。図9(c)の強度線図は、容器相においてはカッピング・アーチファクトが除去されたことを示している。このことは、その領域内のグレー値の線が平らであることによって示されている。
Correction of the sample in the container Two materials: correction given the sample and the container Next, consider simulated data that represents the case of a quartz rock sample in a highly damped titanium container. Fig.9 (a)-(b) shows the cross section of the simulation silicon sample in a titanium container. FIG. 9 (a) is a simulation of this procedure generated by combining multiple reprojections of different energy into one using the attenuation coefficients of silicon and titanium obtained from the National Institute of Standards and Technology (NIST) Indicates As shown in FIG. 9 (a), this beam hardening produced a bright halo effect near the inner edge of the container. This halo presents challenges when segmenting the air around the rock, especially if the segmentation is attempted automatically. The container itself can be easily segmented, for example by using automatic k-means clustering on intensity values. The container is considered as a single phase to avoid segmentation inside the container. For clarity, this process segments the image into two regions. The container is the first phase and everything inside the container is grouped as one group and treated as the other phase. The RPC method is then applied. The subsequent correction is shown in FIG. 9 (b). The intensity diagram in FIG. 9 (c) shows that the cupping artifact has been removed in the container phase. This is shown by the fact that the gray value line in that area is flat.
図9(d)は、尺度を変更された強度線図を示す。この強度線図は、岩石試料自体のカッピングが中心に向かって低減しているが、容器の近くには依然として存在していることを示している。さらに、この補正プロセスが、空気のセグメント化を必ずしも容易にするわけではない。これは、容器の内縁の付近に明るいハローが依然として存在するためである。空気のセグメント化を試みることができ、この技法の反復適用によって空気のセグメント化を改善することができるが、それぞれのセグメント化は、後続の再構成においてそれ自体を補強し、そのため、この反復法は、セグメント化が正確であることを保証しない。次の項は、Van de Casteele他および特にPaziresh他によって実行されたものと同様のRPC法の修正を詳述する。これは、2段階の補正を必要とし、最初の補正段階は、容器に起因する内側ハロー・アーチファクトを除去する。 FIG. 9 (d) shows the scaled intensity diagram. This intensity diagram shows that the cupping of the rock sample itself is reduced towards the center, but is still present near the vessel. Furthermore, this correction process does not necessarily facilitate air segmentation. This is because bright halos are still present near the inner edge of the container. While segmentation of air can be attempted, and repeated application of this technique can improve segmentation of air, each segmentation reinforces itself in subsequent reconstructions, and so this iterative method Does not guarantee that the segmentation is correct. The next section details modifications of the RPC method similar to those performed by Van de Casteele et al. And in particular Paziresh et al. This requires a two step correction, the first correction step removing the inner halo artifact caused by the container.
図7(a)は、上述の技法のうちのいくつかの技法を使用してビーム・ハードニング効果を補正する一実施形態に基づくプロセスの流れ図である。このプロセス・ブロックは、断層撮影システム10の起動後に、断層撮影システム10によって、システム・コントローラ15のコントローラの下で、自動的に実施されることが好ましい。断層撮影システム10の起動は、オペレータが、ユーザ・インタフェース16を通してもしくはネットワークを介して遠隔操作で適切なパラメータを入力することによって達成され、またはネットワークを介してプロセスを制御するように適合されたホスト・コントローラによって達成される。このプロセスは、ブロック702で、一連の断層撮影データ走査からデータを取得またはロードすることから始まる。このブロックは、データ走査を実際に実施するように断層撮影走査システム10を制御することを含むことができ、または、単純に、以前に取得したデータ走査をデータ記憶装置から取り出すことを含むことができる。次に、ブロック704で、通常はトポグラフィ走査装置を用いて取得される一連の断層撮影データ投影を、断層像またはスライスの初期セットに再構成して、被走査試料の3次元モデルを作成する。このモデルは、いくつかの断層像を含み、またはそれらは一般的にスライスと呼ばれる。この初期再構成では、断層像が、上で論じたビーム・ハードニング効果をかなり含むことがあり、補正する必要がある。
FIG. 7 (a) is a flow diagram of a process in accordance with one embodiment for correcting beam hardening effects using some of the techniques described above. This process block is preferably performed automatically by the tomography system 10 under the controller of the system controller 15 after activation of the tomography system 10. The activation of the tomography system 10 is achieved by the operator inputting the appropriate parameters remotely via the
次に、ブロック706で、このプロセスは、ビーム・ハードニング補正手順の実施を開始する。この実施形態では、このビーム・ハードニング補正手順が、この再構成において、ブロック708〜712を、スライスまたは断層像ごとに繰り返すことによって実行される。ブロック708で、このプロセスは、その画像を、異なる相にセグメント化する。それらの相は通常、画像中で識別される異なる材料の異なる領域を含む。このセグメント化は時に、試料材料全体を単一の相にセグメント化し、試料容器を別の相にセグメント化することを含むことができる。上でさらに説明したとおり、このブロックは時に、区別するのが難しい領域を、別々の相として区別することが難しい領域全体の集塊材料の属性を有する集合相としてグループ分けすることを含むであろう。このようなプロセスは、集塊材料をその特性によって識別するのに役立てるため、本明細書に記載された再構成/セグメント化プロセス中に実行される単材料のその特性に基づく識別と同様に、集塊材料ライブラリ21(図1(c))を参照することを含むことができる。さらに、いくつかの実施形態ではオペレータの入力に基づいて、このライブラリから集塊材料を選択することができる。試料容器は、試料材料およびエネルギー介在空隙とは別の相として容器材料を識別するセグメント化プロセスなど、さまざまな方式で、別の相にセグメント化することができる。容器の識別およびセグメント化に役立てるため、容器材料特性を材料ライブラリ19に記憶し、参照することもできる。容器のみのビーム・ハードニング効果を補正する技法に関して後述するが、別の適当なプロセスは、容器のサイズおよび形状を提供する。さらに、いくつかの実施形態では、このセグメント化ブロックがさらに、容器と試料の間の空気をセグメント化することを含むことができる。これについても後にさらに説明する。図7(b)の実施形態などのいくつかの実施形態は、画像をセグメント化する前に容器のみ前補正を適用する。しかしながら、これは限定を意図したものではなく、いくつかの実施形態では、試料に起因するビーム・ハードニングを考慮する同じビーム・ハードニング補正の一部として、容器が考慮される。さらに、ブロック708で実施されるセグメント化を、上述の反復セグメント化および再構成プロセスの適当な任意の変形形態に基づく初期再構成と一緒に実行することができることに留意すべきである。例えば、好ましい1つの実施形態は、(a)試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定するステップと、(b)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正するステップと、(c)断層撮影再構成アルゴリズムの1回または数回の追加の反復を実行するステップであり、それぞれの反復が、体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を更新するステップと、(d)試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類して、セグメントを生成するステップとを含む。
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次に、ブロック710で、このプロセスは、RPC参照なしポスト再構成補正を、好ましくは、材料の識別されたセグメントごとに、計器からそれぞれの材料の容器までおよび検出器までの模擬経路を通る模擬放射線の減衰を積分することによって算出する。RPCに関して上に記載したさまざまな技法を、それらの技法の式および等価物またはそれらの適当な置換とともに使用して、この算出を実行することができる。次に、ブロック712で、このプロセスは、算出されたポスト再構成補正を断層撮影投影データに、通常はそれらの投影のそれぞれの模擬放射線の終わりに強度レベルからある補正量を減ずることによって適用する。
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次に、ブロック714で、このプロセスは、補正された断層撮影投影データから、一連の最終断層像をもう一度再構成する。いくつかの実施形態では、このプロセスを、多数の補正段階が算出され多数の再構成が実行される反復性とすることができる。さらに、この補正後に実施される再構成も、データのより正確な再構成およびセグメント化を生成するために他の技法を適用する反復性であってよい。例えば、図1(a)または1(b)に関して上で説明した再構成およびセグメント化プロセスの適当な任意の変形形態を、このステップで、材料ライブラリを参照して使用して、ブロック714の断層撮影再構成の最終セグメント化を改良することができる。ブロック716で、最終的な再構成もセグメント化されるが、論じたとおり、反復プロセスにおいて、このブロックを再構成と組み合わせることができ、または分離することができる。この一連のステップは、スライスごとに、その試料をモデル化するために再構成したい体積全体に対して実施されることが好ましい。放射線の減衰およびビーム・ハードニング効果を適正にモデル化するために、スライスの向きは通常、放射線進行方向およびオリジナルの断層撮影走査の方向によって決定される。
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容器前補正およびその後の試料補正
容器のみ補正
容器の内部を単一の相として取り扱う技法、または上で論じたように集塊相を使用する技法に加えて、容器だけが存在する場合に、すなわち同じ容器が試料ではなく空気で満たされている場合に適用されるであろう補正を検討することは、自動化プロセスにとって有利である。これを実行するためには、このプロセスが、同じ多色ビームによって空の容器を画像化した場合に生じるであろう減衰を近似しなければならない。したがって、このプロセスは、容器の中心を通過するX線を無視すべきである。それらのX線は試料によってエネルギーが高くなることがあり、空の容器を表さないためである。そのために、このプロセスは、容器のサイズおよび形状に関する情報を有していなければならない。このような情報は、初期断層像上でセグメント化を実施することによって得ることができ、または、使用される容器を記述した予め定められた容器形状データを受け取ることによって得ることもできる。このようなデータは減衰データも含むことができる。
Container Precorrection and Subsequent Sample Correction Container Only Correction In addition to techniques that treat the interior of the container as a single phase, or techniques that use an agglomerate phase as discussed above, if only the container is present, ie Considering the correction that would be applied if the same container was filled with air rather than sample is advantageous for the automation process. In order to do this, one must approximate the attenuation that would occur if the process imaged an empty container with the same polychromatic beam. Thus, this process should ignore x-rays passing through the center of the container. These x-rays may be high energy depending on the sample and do not represent an empty container. To that end, the process must have information on the size and shape of the container. Such information may be obtained by performing segmentation on the initial tomogram, or may be obtained by receiving predetermined container shape data describing the container used. Such data can also include attenuation data.
図12(a)〜(c)は、ゼロ・ファン角度(d1)を有するX線と非ゼロ・ファン角度(d2)を有するX線の相対的な経路長を示す略図である。図12(a)は、全てのビームが同じ量のフィルタを通過する球形フィルタを示す。図12(b)は、ファン角度が大きいほど経路長が長くなる平らなシート・フィルタを示す。図12(c)は、ファン角度が大きいほど経路長がよりいっそう長くなる容器を示している。円筒の場合のように容器の内壁が凸である場合、容器を通過する全ての可能な経路長が、容器の内部を通過しない少なくとも1つの放射線によって捕捉される。別な言い方をすれば、かすめ放射線は、全ての可能な経路長を探査することができる。したがって、この容器のみのデータから、容器材料に対する完全な補正曲線を構築することができる。 12 (a)-(c) are schematic diagrams showing the relative path lengths of x-rays having a zero fan angle (d1) and x-rays having a non-zero fan angle (d2). FIG. 12 (a) shows a spherical filter in which all beams pass the same amount of filter. FIG. 12 (b) shows a flat sheet filter where the path length increases as the fan angle increases. FIG. 12 (c) shows a container in which the path length becomes longer as the fan angle increases. If the inner wall of the container is convex, as in the case of a cylinder, all possible path lengths through the container are captured by at least one radiation that does not pass through the interior of the container. Put another way, grazing radiation can probe all possible path lengths. Thus, from this container only data, a complete correction curve for the container material can be constructed.
この原理を適用するため、このプロセスは、上記の「2つの材料:試料および容器を仮定した補正」の項の場合と同じ方式で、容器および内側をセグメント化し、このセグメント化は、図10に示された同じ点群を生成する。図10は、補正プロセスで使用される3次元点群のグラフである。黒いデータ点は、容器のみ補正技法に対して当てはめられた領域を示す。この技法は、容器だけを通過した放射線以外の放射線を表すグレー・データ点を無視し、1次元曲線を当てはめてCestimatedを見つけ、黒いデータ点を通る直線を当てはめてμcCsegを見つけることが好ましい。 To apply this principle, the process segments the container and the interior in the same manner as in the above-mentioned section "Two materials: correction given the sample and the container", which segmentation is shown in FIG. Generate the same point cloud shown. FIG. 10 is a graph of a three-dimensional point cloud used in the correction process. The black data points show the fitted area for the container only correction technique. This technique preferably ignores gray data points representing radiation other than radiation that has only passed through the container, fits a one-dimensional curve to find C estimated , and fits a straight line through black data points to find μ c C seg .
この補正の例示的な結果が図11(a)に示されている。図11(a)〜(d)は、図9(a)の試料に適用された補正の断面および強度図を示す。この場合も、試料内における効果を示すためにコントラストが再設定されている。図11(a)は、容器内におけるビーム・ハードニングだけが除去された後の結果として生じる再構成を示す。図11(b)は、空気相のセグメント化が実行された後の補正された最終的な再構成を示す。図11(c)は、オリジナルの画像および逆カッピング効果を示す前補正された画像のグレースケール強度線図を示す。図11(d)は、オリジナルの画像と比較した最終的な補正を示す。(c)および(d)は、試料領域に絞って拡大されており、したがって、容器内のグレー値に対する平坦化効果は示していないことに留意されたい。しかしながら、容器領域におけるこの効果は、図9(c)に示されたものに非常によく似ている。 An exemplary result of this correction is shown in FIG. 11 (a). FIGS. 11 (a)-(d) show cross sections and intensity diagrams of the correction applied to the sample of FIG. 9 (a). Again, the contrast is reset to show the effect within the sample. FIG. 11 (a) shows the resulting reconstruction after only beam hardening in the vessel has been removed. FIG. 11 (b) shows the corrected final reconstruction after the segmentation of the air phase has been performed. FIG. 11 (c) shows a gray scale intensity diagram of the original image and the pre-corrected image showing the reverse cupping effect. FIG. 11 (d) shows the final correction compared to the original image. It should be noted that (c) and (d) have been narrowed down to the sample area and thus have not shown a flattening effect on the gray values in the container. However, this effect in the container area is very similar to that shown in FIG. 9 (c).
図11(a)〜(d)の結果について留意すべき点がいくつかある。最も重要なのは、容器の内側の周囲の明るいハローが完全に除去されていることであり、これによって、岩石を取り囲む空気相の非常に簡単なセグメント化が可能になる。説明する必要がある強度線プロファイルの2つの興味深い態様がある。それらは、図11(c)の尺度が変更された強度線図に見られる強度の全体的な低下と岩石内の新たな逆カッピング効果である。全体的な強度低下はそれほど大きくなく、これは、容器内に減衰はないと仮定した補正の結果である。逆カッピングは、容器の内側を通過する放射線を無視することによって、ビーム・ハードニングは容器内だけで起こるとする暗黙の仮定に関して説明することができる。実際には、ビーム・ハードニングは岩石試料内でも起こり、それは、2つのアーチファクトとして現われる。第1に、通過する岩石の量が変化することによってより暗い領域が中心に生じる従来のカッピング・アーチファクトが生じる。第2に、中心領域の方が縁よりも明るくなる逆カッピング・アーチファクトが生じる。これは、図11(a)の放射線pqおよびprを考えることによって説明することができる。試料の内側領域は、pqのような放射線だけによって探査され、pqのような放射線は、それらの放射線の入射角度のため、容器を通過する量が、外側領域を探査するprのような放射線よりも相対的に少ない。したがって外側領域はより低密度に見える。これは、外側領域が、平均してより高いエネルギーのビームによって探査されるためである。これらの2つのビーム・ハードニング・アーチファクトの相対的な影響は、容器の厚さ、試料に対する容器の減衰および入来ビームのファン角度に依存する。この場合、容器は、試料に比べてはるかに高い減衰を有し、そのため、逆カッピング効果が支配的となる。 There are several points to note about the results of FIGS. 11 (a)-(d). Most important is the complete removal of the bright halo around the inside of the vessel, which allows a very simple segmentation of the air phase surrounding the rock. There are two interesting aspects of the intensity line profile that need to be described. They are the overall loss of strength seen in the scaled magnitude diagram of FIG. 11 (c) and the new back cupping effect in the rock. The overall strength loss is not so great, which is the result of a correction assuming no attenuation in the vessel. Back-capping can be described in terms of the implicit assumption that beam hardening only occurs in the container by ignoring the radiation passing inside the container. In fact, beam hardening also occurs in rock samples, which appear as two artifacts. First, the conventional cupping artefact that results in a darker area centered by changing the amount of passing rock results. Second, there is a reverse cupping artifact where the central region is brighter than the edge. This can be explained by considering the radiation pq and pr in FIG. 11 (a). The inner region of the sample is probed only by radiation like pq and the amount of radiation like pq that passes through the container due to the angle of incidence of those radiation is better than the radiation like pr probing the outer region There are also relatively few. Thus the outer area looks less dense. This is because the outer region is, on average, probed by the higher energy beam. The relative impact of these two beam hardening artifacts depends on the thickness of the container, the attenuation of the container relative to the sample and the fan angle of the incoming beam. In this case, the container has a much higher attenuation compared to the sample, so the anti-Copping effect predominates.
この技法と第2節で論じた取得中のフィルタの使用との間の関係を示すことは価値がある。X線の減衰は、R=ln(I/I0)と定義される。ここで、Iは、試料が存在するときのビームの強度、I0は、試料が存在しないときのビームの強度であり、これは、クリア・フィールドとして知られている。フィルタが使用されるとき、ビームの強度に対するフィルタの直接の効果は、このクリア・フィールドによって除去される。これは、IとI0に対して全く同じフィルタリングが存在するためである。しかしながら、ビーム・スペクトルを変化させることによる強度に対する間接的な効果、すなわちビームのエネルギーを高くすることによる間接的な効果は依然として存在する。 It is worthwhile to show the relationship between this technique and the use of filters during acquisition discussed in Section 2. The attenuation of X-rays is defined as R = ln (I / I 0 ). Here, I is the intensity of the beam when the sample is present, and I 0 is the intensity of the beam when the sample is not present, which is known as the clear field. When a filter is used, the direct effect of the filter on the beam intensity is eliminated by this clear field. This is because there is exactly the same filtering for I and I 0 . However, there is still an indirect effect on the intensity by changing the beam spectrum, ie by increasing the energy of the beam.
平らなフィルタリング・シートを用いたファン・ビーム配置では、より大きい角度の放射線がより多くの材料を通過し、そのため、容器補正に関して説明した逆カッピング・アーチファクトも前フィルタリングに対して存在する。カッピング効果および逆カッピング効果が試料に影響を与える程度もやはり、減衰、厚さおよびファン角度に依存する。平らなシートに対する逆カッピング効果は、容器補正に対する逆カッピング効果ほど劇的ではない。これは、平らなフィルタに関しては、放射線経路長が示す変動がより小さいためである。そのため、記載された容器補正技法は、フィルタリングを適用し、クリア・フィールドを用いてその効果を除去することに似ている。違いは、フィルタリングが視野の中で起こる場合に、例えば容器で「フィルタリングする」場合に、ビーム・ハードニングを補正することができる点である。 In fan-beam arrangements with flat filtering sheets, larger angles of radiation pass through more material, so there is also a back-capping artifact described for container correction to pre-filtering. The extent to which the cupping and anti-cupping effects affect the sample also depends on the attenuation, thickness and fan angle. The reverse cupping effect on flat sheets is not as dramatic as the reverse cupping effect on container correction. This is because, for flat filters, the radiation path length exhibits less variation. As such, the container correction technique described is similar to applying filtering and using the clear field to remove its effects. The difference is that beam hardening can be corrected if the filtering takes place in the field of view, for example when "filtering" in the container.
図7(b)は、試料内におけるビーム・ハードニング効果がモデル化される前に適用される上で論じた容器前補正フィルタまたは前補正段階を使用してビーム・ハードニング効果の補正を実施する1つのプロセスを示す流れ図である。このプロセス・ブロックは、断層撮影システム10の起動後に、断層撮影システム10によって、システム・コントローラ15のコントローラの下で、自動的に実施されることが好ましい。断層撮影システム10の起動は、オペレータが、ユーザ・インタフェース16を通してもしくはネットワークを介して遠隔操作で適切なパラメータを入力することによって達成され、またはネットワークを介してプロセスを制御するように適合されたホスト・コントローラによって達成される。しかしながら、これは、限定を意図するものではなく、任意の特定のステップは、オペレータの介入を含むことができる。このプロセスは、図7(a)のプロセスと同様に始まり、ブロック732で、このプロセスは、一連の断層撮影データ投影を取得しまたは獲得し、図7(a)と同様に進む。次に、ステップ734で、このプロセスは、それらの投影から初期再構成を実施する。次に、ステップ736で、このプロセスは、この再構成におけるそれぞれのスライスまたは断層像に対するビーム・ハードニング補正の適用を開始する。この実施形態では、この補正がブロック737〜744を含む。次に、ステップ737で、このプロセスは、容器のサイズおよび形状を識別する。この識別は、画像上でのセグメント化プロセスによって、または容器のサイズおよび形状を記述した既知のデータを受け取ることによって実行することができる。この既知のデータが容器の材料を含んでもよい。場合によっては、予めモデル化された例えばフィルタを備える容器が既に算出されていてもよく、フィルタは、その容器または同じ材料の全く同じ容器に起因するビーム効果を含む。このような前置フィルタおよび特性を容器ライブラリ21(図1(c))に記憶することができる。容器ライブラリ21は、例えば容器輪郭の画像認識によって、またはその容器のバー・コードもしくは識別子を自動的に認識することによって、または自動化されたプロセスを起動するときに使用する容器をオペレータが選択したことに応答して容器を識別するために自動的に参照することができる。容器のサイズおよび形状を決定した後、プロセスは、既存の容器のみ補正を取り出し、または容器のみ前補正を算出する。算出する場合、その算出は、上述のように、容器だけを通過し試料は通過しない放射線を決定するために一連の放射線を識別する上述の技法によって実行されることが好ましい。容器のビーム・ハードニング効果は、断層撮影投影から抽出されたデータ、または容器材料属性に関する既知のデータのいずれかに基づいてモデル化される。この補正は、上で論じた適当な任意の技法、またはこのような効果をモデル化する他の知られている方法によって算出される。この算出は、容器を通過する放射線経路長に関するデータを使用し、そのデータを、容器を通過する放射線に適用することによって実行される。この際、容器を通過するそれらの放射線が試料を通過するのかまたはしないのかは問わない。上で論じたとおり、いくつかの実施形態は、このデータを曲線に当てはめて、その容器材料の減衰係数を決定する。他の実施形態では、このデータを、補正として、投影されたデータに直接に適用することができる。次に、ステップ738で、結果として生じたビーム・ハードニング効果をこのデータに適用する。これは、断層撮影投影にフィルタを適用し、次いで上でさらに説明した別の再構成を実行することによって実施することが好ましい。
FIG. 7 (b) performs the beam hardening effect correction using the container precorrection filter or precorrection step discussed above applied before the beam hardening effect in the sample is modeled Is a flow chart illustrating one process of doing. This process block is preferably performed automatically by the tomography system 10 under the controller of the system controller 15 after activation of the tomography system 10. The activation of the tomography system 10 is achieved by the operator inputting the appropriate parameters remotely via the
ブロック740で、このプロセスは、この画像を、異なる相にセグメント化する。それらの相は通常、画像中で識別される異なる材料の異なる領域を含む。容器のみ前補正によって容器が既に考慮されており、そのため、ステップ740〜744において容器を除去または無視することができることを除いて、このブロックは、図7(a)のブロック708と同様に進む。次に、予め補正された断層像または画像(前補正が適用された画像)を、「単材料試料を仮定した補正」の項に記載された手法を使用して、岩石試料が単材料とみなされるような態様でセグメント化することができる。本明細書に示された結果を有する好ましい実施形態では、強度のk平均クラスタリングを適用し、次いで、以前にセグメント化された容器領域に接続された全ての領域を排除することによって、これが自動的に実行される。このケースではこの自動セグメント化がよく機能するが、必要な場合には、特にk平均クラスタリングまたは上で論じた単材料仮定に適していない試料タイプでは、より洗練されたセグメント化ルーチンを容易に採用することができる。いくつかの実施形態では、プロセスへの入力として提供される、試料内の予想される材料に基づく適当な材料ライブラリを用いる、図1(a)または(b)に関して上で説明したセグメント化プロセスが使用される。上でさらに説明したとおり、このブロックは時に、区別することが難しく、セグメント化が非常に不正確になる恐れがある領域を、別々の相に区別することが難しい領域全体の集塊材料の属性を有する集合相としてグループ分けすることを含むであろう。このようなプロセスは、集塊材料をその特性によって識別するのに役立てるため、本明細書に記載された再構成/セグメント化プロセス中に実行される単材料のその特性に基づく識別と同様に、集塊材料ライブラリ21(図1(c))を参照することを含むことができる。いくつかの実施形態では、このセグメント化ブロックがさらに、容器と試料の間の空気をセグメント化することを含むことができる。これについても後にさらに説明する。
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次に、ブロック742で、このプロセスは、新たにセグメント化された画像に対するRPC参照なしポスト再構成補正を、好ましくは、材料の識別されたセグメントごとに、計器からそれぞれの材料の容器までおよび検出器までの模擬経路を通る模擬放射線の減衰を積分することによって算出する。RPCに関して上に記載したさまざまな技法を、それらの技法の式および等価物または、したがって、それらの技法に対する適当な置換とともに使用して、この算出を実行することができる。
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次に、ブロック744で、このプロセスは、算出されたポスト再構成補正を断層撮影投影データに、通常はそれらの投影のそれぞれの模擬放射線の終わりに強度レベルからある補正量を減ずることによって適用する。図11(b)および図11(d)の強度線プロットに示されているように、本明細書の好ましい式を使用した結果として生じる補正は、ビーム・ハードニング・アーチファクトをほぼ完全に除去した。強度線プロットのまさに縁に見える強度のわずかな低下があることに気づく。これについては、「単材料試料を仮定した補正」に説明されている。
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次に、ブロック746で、このプロセスは、補正された断層撮影投影データから、一連の最終断層像をもう一度再構成する。図7(a)に関して上で論じたとおり、この最終的な再構成プロセスを、多数の補正段階が算出され多数の再構成が実行される反復性とすることができる。さらに、この補正後に実施される再構成も、データのより正確な再構成およびセグメント化を生成するために他の技法を適用する反復性であってよい。例えば、図1(a)または1(b)に関して上で説明した再構成およびセグメント化プロセスの適当な任意の変形形態を、このステップで、材料ライブラリを参照して使用して、ブロック746の断層撮影再構成の最終セグメント化を改良することができる。ブロック748で、最終的な再構成をセグメント化し、図7(a)のブロック716と同様に進む。
Next, at
図7(c)は、使用されるX線ビームのスペクトルにわたるビーム・ハードニングを考慮する断層撮影再構成およびセグメント化プロセスの流れ図である。図7(a)のプロセスおよび図7(b)のプロセスは、ビーム・ハードニング補正を実行し、次いで、好ましくは、2つの単色ビームを仮定した後続の分析を実施するが、ここに示されたプロセスは、再構成アルゴリズムの物理順モデルの一部としてビーム・ハードニングを、好ましくは図1(a)および1(b)に関して上で説明した再構成技法と同様の再構成技法を使用して予測することによって、ビーム・ハードニングを考慮する。示されたプロセスは、ブロック750から始まり、ブロック750で、材料特性のデータ記憶域を提供する。この実施形態では、この材料特性が、断層撮影走査で使用されるX線スペクトルにわたる減衰特性を含む。例えば、2つの多色X線ビームを異なるエネルギーで使用する場合、材料特性データ記憶域またはライブラリは、その中の全ての材料について、両方のビームのスペクトルに関する減衰データを含む。この減衰データは、減衰曲線として、または離散化された減衰値として記憶することができる。次に、ブロック752で、このプロセスは、それぞれが所望のエネルギー・レベルにある多色ビームを使用して断層撮影走査を取得する。示された実施形態では、このエネルギー・レベルがデュアル・エネルギー・レベルである。次に、ブロック754で、このプロセスは、多数の体積要素の材料特性を、ビーム・ハードニングを考慮するビーム・スペクトルにわたる断層撮影再構成アルゴリズムを使用して推定する。この推定は、上に記載された適当な再構成技法のうちの任意の再構成技法を使用することができ、その技法は、それぞれのビームのスペクトルを横切って適用される。このようにして、上で論じた反復技法は、再構成プロセスの一部としてビーム・ハードニングを考慮する。図7(c)の残りのプロセス・ブロックは図1(b)のプロセス・ブロックと同様に進み、この反復アルゴリズムは、スペクトル減衰データを含む材料データ記憶域を、順モデルで、好ましくはそれぞれの反復で参照する。
FIG. 7 (c) is a flow chart of a tomographic reconstruction and segmentation process that considers beam hardening across the spectrum of the x-ray beam used. The process of FIG. 7 (a) and the process of FIG. 7 (b) perform a beam hardening correction and then preferably perform a subsequent analysis assuming two monochromatic beams, which are shown here The process uses beam hardening as part of the physical order model of the reconstruction algorithm, preferably using a reconstruction technique similar to that described above with respect to FIGS. 1 (a) and 1 (b). Consider beam hardening by prediction. The illustrated process begins at
高密度包有物
本明細書の議論は、1つの材料として取り扱うことができるかなり一様に不均質な試料を含む手順を考慮している。しかしながら、時には、相間の相対的なコントラストが変化するという欠点があるにも関わらず、画像の残りの部分に対してそれらが有する不明瞭にする効果のためにセグメント化する必要がある材料が試料内にあることがある。これは特に、画像化されたときにストリーキング・アーチファクトを生じさせる減衰性の高い材料、例えば砂岩中の高密度黄鉄鉱包有物に当てはまる。本発明の発明者のシミュレーションでは、5つの鉄包有物を含めることにより、上記の技法を用いてこれを模擬した。これは、補正なしでは、図13(a)に示されているように重大なストリーキング効果を引き起こす。
High Density Inclusions The discussion herein considers a procedure involving a fairly uniformly heterogeneous sample that can be treated as one material. However, at times, despite the drawback of changing the relative contrast between the phases, the materials that need to be segmented due to the obscuring effect they have on the rest of the image are samples It may be inside. This is particularly true for highly dampening materials that produce streaking artifacts when imaged, such as high density pyrite inclusions in sandstone. In the inventor's simulation of the present invention, this was simulated using the above technique by including five iron inclusions. This will cause significant streaking effects as shown in FIG. 13 (a) without correction.
図13(a)〜(b)は、減衰性が高い鉄包有物を含む、チタン容器内の模擬ケイ素試料の断面を示す。図13(a)は、試料内における効果を示すために尺度を変更したオリジナルの画像を示す。輝点と輝点の間の暗い領域によって特徴づけられるストリーキング・アーチファクトに注目されたい。図13(b)は、3材料補正を使用して補正された最終画像を示す。ストリーキング・アーチファクトはほぼ完全に除去されている。これらの包有物の高い減衰は、再び単純なk平均セグメント化を使用して岩石マトリックスからそれらを分離することを簡単にする。その後、この試料は、3つの材料、すなわち容器、節「容器のみ補正」で論じた前補正後のセグメント化された岩石材料、および高密度包有物として取り扱われる。これらのセグメント化を含むこの補正法を適用することによって、図13(b)に示されているように、ストリーキングはほぼ完全に除去される。 FIGS. 13 (a)-(b) show cross sections of simulated silicon samples in a titanium container containing highly damped iron inclusions. FIG. 13 (a) shows an image of the original scaled to show the effect in the sample. Note the streaking artifacts that are characterized by the dark spots between the bright spots. FIG. 13 (b) shows the final image corrected using three material correction. The streaking artifacts are almost completely removed. The high damping of these inclusions again simplifies their separation from the rock matrix using simple k-means segmentation. This sample is then treated as three materials: a container, a pre-corrected segmented rock material as discussed in the section "container-only correction", and a dense inclusion. By applying this correction method including these segmentations, streaking is almost completely eliminated, as shown in FIG. 13 (b).
補正空間:強度または減衰
「参照なしポスト再構成補正(RPC)」の項で述べたとおり、このRPC補正は、Krumm他の論文で実行されたように強度空間(I空間)で適用されるのではなく、減衰空間(R空間)で適用された。試料がその成分材料に完璧にセグメント化された場合、補正空間の選択は重要ではなく、両方の補正が同じ結果を生み出す。これらの2つの方法の主な違いは、超平面適合の勾配が持つ補正に対する影響である。どちらの方法の場合も、それぞれの方向の勾配が、それぞれの相に対する平均グレースケール値を決定する。R空間補正に関しては、相内のコントラストが任意の勾配に対して一定であり続ける。すなわち、細孔空間が、岩石と同じ相にグループ分けされる場合、岩石と細孔の間の平均絶対グレースケール差はほぼ一定のままである。I空間補正の場合には、相間のコントラスト変化に整合するように相内のコントラストが変化する。すなわち、コントラストの全体的な一貫性が維持される。しかしながら、このことは、Rmono適合に対して「正しい」勾配があることも意味し、他の任意の平面が当てはめられた場合、結果は、特に相内のコントラスト変化に関して劣化する。このことは、R空間補正が、不正確なセグメント化に対してより堅牢であることを意味するが、R空間補正には、相内および独立した相間のコントラストの欠点(または潜在的な利点)が付属する。多数の材料を単一の相としてグループ分けし、容器と試料の間の相対的コントラストについては考慮しない上記のいくつかの実施形態では、試料相内にコントラスト変化がないことを保証するのに、R空間補正の方がより適切であった。しかしながら、全ての材料がセグメント化されるときなど、他の場合には、I空間補正は、潜在的に、画像全体のオリジナルの相対的コントラスト値に対してより高い忠実度を有する。
Correction Space: Intensity or Decay As mentioned in the section "Referenceless Post Reconstruction Correction (RPC)", this RPC correction is applied in the intensity space (I-space) as implemented in Krumm et al. Not in the damping space (R space). If the sample is perfectly segmented into its component materials, the choice of correction space is not important and both corrections produce the same result. The main difference between these two methods is the effect on the correction that the slope of the hyperplane fit has. In either method, the gradient in each direction determines the average grayscale value for each phase. For R space correction, the contrast within the phase remains constant for any slope. That is, when the pore space is grouped into the same phase as the rock, the average absolute gray scale difference between the rock and the pore remains nearly constant. In the case of I-space correction, the contrast in the phase changes to match the contrast change between the phases. That is, the overall consistency of the contrast is maintained. However, this also means that there is a "correct" slope for the R mono fit, and the result degrades, especially with regard to contrast changes within the phase, if any other plane is fitted. This means that R-space correction is more robust against inaccurate segmentation, but R-space correction has the disadvantage (or potential advantage) of intra- and inter-phase contrast Comes with. To ensure that there is no change in contrast within the sample phase, in the above several embodiments, where many materials are grouped as a single phase and the relative contrast between the container and the sample is not taken into account. R space correction was more appropriate. However, in other cases, such as when all the material is segmented, the I-space correction potentially has a higher fidelity to the original relative contrast value of the entire image.
容器だけを補正する前補正の場合に関しては、R空間で補正を適用することが好ましい。これは、RmonoおよびRpolyを見つけるときに、このプロセスが、容器だけを通過した放射線以外の放射線のR値を無視するためであり、そのため、このプロセスが、この残りの放射線にこの補正を適用するときに、補正式が定義されることは保証されない。I空間では、それぞれの放射線に対する下記の補正式25が、上記の式22に類似している。 For the pre-correction case of correcting only the container, it is preferable to apply the correction in R space. This is because this process ignores the R-values of radiation other than radiation that has only passed through the container when finding R mono and R poly , so this process compensates for this remaining radiation When applied, it is not guaranteed that a correction equation is defined. In I-space, the following correction equation 25 for each radiation is similar to equation 22 above.
以上の説明は、参照なしポスト再構成補正技法を効果的に適用して、容器内の円筒形試料のビーム・ハードニング・アーチファクトを低減させることができることを示した。それらの例は、ほぼ円筒形の試料を含むが、試料形状に対する制限はなく、この方法は、容器内の非円筒形の試料に対しても等しくよく機能するはずである。ある種の材料は、単一の相として取り扱うことができ、それでも良好なアーチファクト低減を与えることが示された。この補正は、他の全ての相の正確なセグメント化を必要し、このセグメント化は、容器内のビーム・ハードニングだけを補正することによる初期前補正を画像に対して実行することによって容易になった。そのため、上記の技法を、試料内のビーム・ハードニング・アーチファクトを自動的に補正することを可能にする多くの異なるワークフローで使用することができる。 The above description has shown that the no reference post reconstruction correction technique can be effectively applied to reduce beam hardening artifacts of cylindrical samples in a container. These examples include substantially cylindrical samples, but there is no restriction on the sample shape, and this method should work equally well for non-cylindrical samples in containers. It has been shown that certain materials can be treated as a single phase and still give good artifact reduction. This correction requires accurate segmentation of all other phases, which is easily done by performing an initial pre-correction on the image by correcting only the beam hardening in the container. became. As such, the techniques described above can be used in many different workflows that allow beam correction artifacts in the sample to be automatically corrected.
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなりおおまかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および追加の利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するためのベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。 The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the detailed description of the invention that follows may be better understood. The following describes additional features and additional advantages of the present invention. Those of ordinary skill in the art should understand that the disclosed concepts and specific embodiments can be readily utilized as a basis for modifying or designing other structures to achieve the same purpose of the present invention. is there. Furthermore, it is to be understood by those skilled in the art that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of the present invention as set forth in the appended claims.
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。本明細書に記載された特徴の組合せは、限定を意図したものであると解釈すべきではなく、本明細書の特徴は、本発明に基づく任意の効果的な組合せまたは部分的な組合せで使用することができる。したがって、この説明を、本発明の特徴の任意の効果的な組合せまたはある部分的な組合せに対する、米国特許法および他国の関連特許法に基づく書面によるサポートを提供するものと解釈すべきではない。 Having described the invention and the advantages of the invention in detail, various changes, substitutions and alterations are made herein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It should be understood that you can. The combinations of features described herein should not be construed as limiting, and the features herein are used in any effective or partial combination according to the present invention. can do. Accordingly, this description should not be construed as providing written support under US patent law and other related patent laws for any effective combination or partial combination of features of the present invention.
さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。 Moreover, the scope of the present application is not intended to be limited to the particular embodiments of the process, machine, manufacture, composition of matter, means, methods and steps described in the specification. As those skilled in the art will readily appreciate from the disclosure of the present invention, existing or future developments performing substantially the same function as the corresponding embodiments described herein, or achieving substantially the same results. Any process, machine, manufacture, composition, means, method or steps may be utilized in accordance with the present invention. Accordingly, the appended claims are intended to include within their scope such processes, machines, manufacture, compositions of matter, means, methods or steps.
Claims (19)
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(c)セグメント化された前記断層像に基づいて、画素ごとに、N個のベクトル
(d)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(e)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) segmenting the tomogram into two or more phases;
(C) N vectors per pixel based on the segmented tomogram
(D) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects; and (e) reconstructing a final tomogram from the corrected tomographic projection data. Method.
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(c)セグメント化された前記断層像に基づいて、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出すること、
(d)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(e)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含み、
試料材料を保持する容器に起因するビーム・ハードニング効果に関して補正し、前記試料自体に起因するビーム・ハードニング効果に関しては補正しないために、前記断層像に容器のみ前補正を適用することをさらに含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) segmenting the tomogram into two or more phases;
(C) calculating a no reference post reconstruction correction (RPC) correction based on the segmented tomograms;
(D) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects;
(E) reconstructing a final tomographic image from the corrected tomographic projection data
Including
It is further preferable to apply a container-only pre-correction to the tomogram in order to correct for the beam hardening effect due to the container holding the sample material and not for the beam hardening effect due to the sample itself How to include it .
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(c)セグメント化された前記断層像に基づいて、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出すること、
(d)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(e)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含み、
前記セグメント化が、半径方向距離およびグレースケール強度を使用して前記相を区別するk平均クラスタリング技法を実行することを含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) segmenting the tomogram into two or more phases;
(C) calculating a no reference post reconstruction correction (RPC) correction based on the segmented tomograms;
(D) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects;
(E) reconstructing a final tomographic image from the corrected tomographic projection data
Including
The method comprising the segmentation executes distinguish k-means clustering technique the phase using a radial distance and gray scale intensity.
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(c)セグメント化された前記断層像に基づいて、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出すること、
(d)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(e)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含み、
前記セグメント化が、前記初期再構成に対する反復セグメント化および再構成プロセスの一部を構成し、前記反復セグメント化および再構成プロセスが、
(i)前記試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定するステップと、
(ii)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、前記1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正するステップと、
(iii)前記断層撮影再構成アルゴリズムの1回または複数回の追加の反復を実行するステップであり、それぞれの反復が、前記体積要素の前記1つまたは複数の推定される材料特性を更新するステップと、
(iv)前記試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類するステップと
を含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) segmenting the tomogram into two or more phases;
(C) calculating a no reference post reconstruction correction (RPC) correction based on the segmented tomograms;
(D) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects;
(E) reconstructing a final tomographic image from the corrected tomographic projection data
Including
The segmentation forms part of an iterative segmentation and reconstruction process for the initial reconstruction, the iterative segmentation and reconstruction process comprising
( I ) determining one or more estimated material properties of multiple volume elements in the sample using a tomographic reconstruction algorithm;
( Ii ) probabilistic classification into the one or more estimated material properties by reference to stored material property data to determine the most likely material in the material dictionary for each volume element Correcting based on
( Iii ) performing one or more additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm, each iteration updating the one or more estimated material properties of the volume element When,
(Iv) a method comprising the steps of the label a reconstructed volume indicates that it is a sample, classifies the area of materials with similar properties.
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(c)セグメント化された前記断層像に基づいて、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出すること、
(d)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(e)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含み、
前記最終断層像を再構成することが、
(i)前記試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定すること、
(ii)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、前記1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正すること、
(iii)前記断層撮影再構成アルゴリズムの1回または複数回の追加の反復を実行し、それぞれの反復が、前記体積要素の前記1つまたは複数の推定される材料特性を更新すること、および
(iv)前記試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類すること
をさらに含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) segmenting the tomogram into two or more phases;
(C) calculating a no reference post reconstruction correction (RPC) correction based on the segmented tomograms;
(D) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects;
(E) reconstructing a final tomographic image from the corrected tomographic projection data
Including
Reconstructing the final tomogram,
( I ) determining one or more estimated material properties of multiple volume elements in the sample using a tomographic reconstruction algorithm;
( Ii ) probabilistic classification into the one or more estimated material properties by reference to stored material property data to determine the most likely material in the material dictionary for each volume element To fix based on
( Iii ) performing one or more additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm, each iteration updating the one or more estimated material properties of the volume element; iv ) A method further comprising labeling the reconstructed volume indicating that it is the sample and classifying it into regions of material having similar properties.
(a)断層撮影投影データから初期断層像を再構成すること、
(b)試料材料を保持する容器に起因するビーム・ハードニング効果に関して補正し、試料材料自体に起因するビーム・ハードニング効果に関しては補正しないために、前記断層像に容器のみ前補正を適用すること、
(c)前記断層像を2つ以上の相にセグメント化すること、
(d)セグメント化された前記断層像に基づいて、参照なしポスト再構成補正(RPC)補正を算出すること、
(e)ビーム・ハードニング効果に関して補正するために、前記RPC補正を断層撮影投影データに適用すること、および
(f)補正された前記断層撮影投影データから最終断層像を再構成すること
を含む方法。 A method of correcting tomographic reconstruction with respect to beam hardening, comprising
(A) reconstructing an initial tomographic image from tomographic projection data;
(B) A container-only pre-correction is applied to the tomogram in order to correct for beam hardening effects due to the container holding the sample material and not for beam hardening effects due to the sample material itself about,
(C) segmenting the tomogram into two or more phases;
(D) calculating a no reference post reconstruction correction (RPC) correction based on the segmented tomograms;
(E) applying the RPC correction to tomographic projection data to correct for beam hardening effects; and (f) reconstructing a final tomogram from the corrected tomographic projection data. Method.
(a)前記試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を、断層撮影再構成アルゴリズムを使用して決定すること、
(b)材料ディクショナリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定するために、前記1つまたは複数の推定される材料特性を、記憶された材料特性データを参照することによって、確率的分類に基づいて修正すること、
(c)前記断層撮影再構成アルゴリズムの1回または複数回の追加の反復を実行し、それぞれの反復が、前記体積要素の前記1つまたは複数の推定される材料特性を更新すること、および
(d)前記試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の特性を有する材料の領域に分類すること
をさらに含む、請求項9に記載の方法。 Reconstructing the final tomogram,
(A) determining one or more estimated material properties of multiple volume elements in the sample using a tomographic reconstruction algorithm;
(B) In order to determine the most likely material in the material dictionary for each volume element, the one or more estimated material properties may be probabilistically classified by referring to the stored material property data To fix based on
(C) performing one or more additional iterations of the tomographic reconstruction algorithm, each iteration updating the one or more estimated material properties of the volume element; 10. The method of claim 9, further comprising: d) labeling the reconstructed volume indicative of the sample and classifying into regions of material having similar properties.
回転試料ホルダと、
前記X線ビーム源からのエネルギーを検出するX線検出器と、
前記X線ビーム源、前記回転試料ホルダおよび前記X線検出器に動作可能に接続されたシステム・コントローラであり、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法を実行するためのコンピュータ命令を含むプログラム記憶装置を含むシステム・コントローラと
を備える断層撮影システム。 An x-ray beam source guided through the sample;
A rotating sample holder,
An x-ray detector for detecting energy from the x-ray beam source;
A computer controller for performing the method according to any one of claims 1 to 8, which is the X-ray beam source, the rotating sample holder and a system controller operatively connected to the X-ray detector. And a system controller including a program storage device.
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